科學家試圖將光子切成兩半，結果光子發生了匪夷所思的變化

如果你試圖將光的最小基本單元--光子分解成更小碎片，會發生什么？

根據物理學家對宇宙基本組成單元的普遍理解，這根本不可能，因為長期以來人們認為它們無法被進一步分解。

在經典世界里，切割是天經地義的操作：一刀下去，任何物體都能被分成更小的部分。

但量子世界的規則截然不同，光子是沒有內部結構的基本粒子，理論上根本不存在半個光子這種東西。

可矛盾的是，光子同時又是一種波。

就像水波會擴散到整個湖面一樣，單個光子的模式函數（通俗理解為它可能出現的位置范圍）其實有著無限長的“尾巴”。

哪怕是一個從燈泡發出的光子，在飛向墻壁的過程中，它的尾巴也會延伸到房間的每個角落，只是在墻壁附近的概率最大而已。

既然光子的波有無限長的尾巴，那我們能不能用一個足夠快的快門，把它的尾巴切掉？

挪威奧斯陸大學的伊薩克·魯坎、揚·古拉和約翰內斯·斯卡爾團隊，就對這個看似異想天開的問題進行了嚴格的理論推演。

該研究的預印本于2025年10月提交，2026年5月更新至第二版發布在預印本平臺上。

他們設計了一個巧妙的思想實驗：讓一個光子從左邊飛來，在它的路徑上放一面完美的反射鏡系統，一開始，系統會把光子的波函數尾巴反射回去，就在光子的主體部分快要到達鏡子系統的瞬間，以極快的速度把鏡子關掉——不是瞬間消失，而是讓鏡子的反射率在極短時間內從100%平滑降到0。

理論上，如果脈沖鏡系統能夠以足夠快的速度運行，它就能在脈沖中間捕獲單個光子，從而截取粒子擴展波的一部分。

那么接下來，他們自然而然地就想知道之后光子會發生什么。

為了解答這個問題，斯卡爾和他的同事們通過應用與光子相關的電磁場及其在量子層面的行為相對應的量子方程，他們得以衡量光子量子態在與快速切換快門近距離接觸時的響應。

計算結果完全顛覆了我們的直覺。

被截斷后的光子，既不是原來的完整光子，也不是什么半個光子，更不是光子和真空的簡單混合。

它變成了一種極其復雜的量子混合態，同時包含了0個、1個、2個……直到無限多個光子的所有可能情況。

換句話說，用快門切了一下光子，結果反而變出了一堆新光子。

這聽起來很是不可思議，但其實有嚴格的物理依據。

根據諾特定理，當物理規律不再隨時間保持不變（即時間平移對稱性破缺）時，系統的能量就不再守恒。

在這個實驗中，快速開關鏡子需要外界對系統做功，正是這部分能量被轉化成了新光子的能量。

這個現象叫做動力學卡西米爾效應，早在2011年，科學家們就已經在實驗室里觀察到了移動鏡子產生的微波光子，證實了它的存在 。

所謂的真空漲落只是提供了光子產生的可能性，能量最終還是來自于驅動鏡子的外部系統，并非從真空中無中生有。

更神奇的是，這種復雜的多光子態，在大多數情況下看起來和普通的光子或真空沒什么兩樣。

研究團隊發現，在鏡子開關之后，會形成一個以光速向右移動的極窄過渡區（長度約為10?1?秒×光速≈3微米）。

在過渡區的左邊，只要你只測量所在區域的局部物理量，無論用什么探測器，得到的結果都和一個完整的光子完全相同；而在過渡區的右邊，測量結果則和絕對的真空沒有任何區別。

只有當你把探測器放在那個狹窄的過渡區里時，才能探測到那些額外產生的光子，以及極高的能量密度。

為什么會這樣？

答案是因果性。

因為光速是有限的，過渡區外的區域還沒有收到鏡子開關的任何信息，所以它們只能“看到”自己所在區域的局部狀態。

這種全局復雜、局部簡單的現象，被稱為局域等價性，它為我們理解量子場論中最根本的問題——什么是一個局域化的粒子提供了一個絕佳的理論模型。

長期以來，物理學家們一直在爭論，量子場論中的粒子到底是不是一個局域的概念。

這項研究清晰地表明，一個全局上包含無限多粒子的復雜量子態，在局部區域可以表現得和單個粒子完全相同。

目前，這項研究還停留在理論階段，但斯卡爾團隊已經在和實驗物理學家合作，設計實驗來驗證他們的預測。

未來，他們還計劃研究多個光子被截斷時的情況，以及這種現象和其他量子效應之間的聯系。