试图把光子劈成两半会发生什么？

# 试图将光子一分为二时会发生什么？ 来源：https://arstechnica.com/science/2026/07/what-happens-when-you-try-to-chop-a-photon-in-half/ 一个在光子反射中途移开的镜子，可能会释放出一连串新的光子。 光子是光的单个粒子，在通常情况下，它无法被分割。但一个光子*也并*不*是*一个粒子，在它没有特定位置的意义上说。相反，它是一个延展的物体。 因此，如果一个光子仅在部分完成从完美镜子反射的过程中，而你突然把镜子抽走，会发生什么？答案来自三位挪威物理学家，[结果](https://doi.org/10.1103/94pm-hp34)([arxiv.org 链接](https://arxiv.org/abs/2510.21636))比我预期的要复杂得多。 ## 被分割的光子？ 我们首先简要讨论一下光子的分割与组合。如果这是日常生活中的常见现象，那么将一束单色光穿过一片玻璃或从某个表面反射，就可能导致光子分割或组合。这会产生奇妙的颜色阵列：我们的宇宙将变成你能想象到的最奇幻、最合法的 LSD 之旅。但通常情况下不会发生，所以才有 LSD。 实际发生的情况是：在合适的条件下，光子确实可以分割和组合——本质上，光穿过的介质必须对光作出响应而改变。这可以从单一颜色光源产生出彩虹般的色彩。 从技术上讲，我们说我们所见周围的光相互作用是线性的，而光子的组合/分割是非线性过程。通常，要克服这种非线性，你需要一个非常敏感的介质，或者一个非常高强度的光源，比如激光器。 在光子反射过程中突然移除镜子，并不是我通常理解的那种非线性。但如果你再多想一下，这明显是一个非线性事件。这种思路被我们对单个光子与镜子相互作用的思考方式所遮蔽，正如我将在下面说明的那样。 ## 单个光子穿过镜中世界 真的是这样吗？ 让我们从部分反射镜的例子开始。当一个单个光子击中这块镜子时，它要么穿过镜子，要么从镜子反射。光子被认为进入了一个叠加态，既反射了又穿过了（每种路径的概率取决于镜子的反射率）。如果我们在反射和透射光子的路径上放置探测器，当其中一个探测器响时，会坍缩叠加态，另一个潜在路径消失。 在任何情况下，两个探测器都不可能同时响。我们不会在每条路径上都记录到半个光子。 天真地讲，我们可能对全反射镜在反射中途被移除的情况做同样的论证。在这种论证中，光子进入一个反射与透射的叠加态，其概率取决于镜子被移除的时间相对于光子的“大小”。同样，当我们试图测量光子走哪条路时，我们会预期叠加态坍缩，只有一个探测器会响。 但实际发生的并非如此。 当我停下来思考时，很明显这是错的。但要理解为什么，我们需要一些额外的理论包袱。 ## 光子的雷鸣 时间和频率是一枚硬币的两面。如果我们弹奏钢琴上的一个音符，存在一个时域图像：压力随时间有规律的起伏，持续相当长一段时间。这个音符可以用单一频率和单一振幅（音量大小）来描述。更复杂的声音（和弦、断音）在时间上具有复杂的结构，由更复杂的频率组合来描述，每个频率都有自己的振幅（相位也很重要，但我们将忽略它）。 这个图像是普适的，适用于*所有*时变信号——而且远不止这些。当我小时候在农场长大，用一台老式（即使在当时也算老的）电子管收音机听 AM 广播时，音乐总是被一种咔嗒声打断。这咔嗒声来自我们的电围栏，它总是在电击一些乱长的草、不听话的羊或好斗的公牛。 那个短促强烈的电流产生了一个短促的电磁脉冲（还有一头愤怒的公牛）。这种极短的脉冲（在时间上）出现在非常宽的频谱上，包括让我恼火的 AM 广播频段。一个事件在时间上越短，支持它所需的频率频谱就越宽。反过来，一个持续很久音调不变的单一音调只需要很少的频谱（只有该音调本身）。 这个规则也适用于光子在镜子上的反射。光子正在从镜子反射，电磁场有规律地变化，从入射波平滑地转变为反射波。透射波不存在，所以振幅是开心的零。 然后镜子被抽走。反射波的振幅突然下降到零，而透射波突然从零跳起。这是两个尖锐的跃变，需要比原始光子多得多的带宽。我们的被切断的光子仍然处于反射和透射的叠加态，但它也有一个尖锐的边缘，这需要大量不同频率的光子。 将光子一分为二会产生一道彩虹。据我所知，产生的光子处于反射光和透射光的叠加态。但由于可能有多个光子，反射光和透射光可以同时被测量到。 ## 我们能否真正实现？ 这将是一个复杂的实验。研究人员需要一种能按需产生单个光子且光谱带宽非常窄的光源。这会使它们在时间上延展开来，这样来自切割的任何额外光子都可观测。然后他们需要在正确的时间触发镜子。 这不会用浴室镜子那样的东西来做。作者计算得出，从反射到透射的转变需要在约 10 飞秒（1 飞秒 = 10⁻¹⁵ 秒）内完成，这不足以移动一个物理镜子。有些材料，比如半导体，可以使用超快激光脉冲作为开关，在相当快（30-100 飞秒）的时间内从反射驱动到透射。可惜，这个激光脉冲会碍事。要过滤掉用于移除镜子的大激光脉冲，使得切割长单光子产生的光子变得可观测，将会相当困难。 不过我们已经有证据表明这是有效的。我上面描述的镜子被用来*缩短*超短脉冲，这意味着反射脉冲在反射后拥有更多的频率，因此必须产生新的光子。我们只是还没有在单个光子上观察到它。但再等大约一年，我打赌我们就能看到。 Physical Review Letters, 2026, DOI:10.1103/94pm-hp34 (https://doi.org/10.1103/94pm-hp34) 克里斯·李的照片 (https://arstechnica.com/author/laserboy/) 克里斯为 Ars Technica 的科学栏目撰稿。白天是物理学家，晚上是科学作家，专长于量子物理和光学。他生活在荷兰埃因霍温并在此工作。 53 条评论 (https://arstechnica.com/science/2026/07/what-happens-when-you-try-to-chop-a-photon-in-half/#comments) 1. 最热门故事的第一条配图：潜逃20年，头号通缉犯伪装成生物技术高管被捕 (https://arstechnica.com/health/2026/07/on-the-run-for-20-years-most-wanted-fugitive-caught-hiding-as-a-biotech-exec/)