新思想实验：试图切断一个光子，反让系统变成含无限光子的叠加态
在量子力学中，光子同时具备粒子与波特征，两种都是无法再分割的最小单位，但若我们还是尝试强行“截断”光子，会发生什么事？物理学家JohannesSkaar团队最近提出一项新思想实验，发现当用极快速光学快门“切断”一个光子，会在理论上得到“同时含无限多颗光子”的量子态。
如同其它微观量子粒子，基本粒子光子具有波粒二象性（Wave-ParticleDuality），能同时展现波动性与粒子性。
而JohannesSkaar团队思考正在一件事，如果单颗光子通过速度够快的光学快门（本质上可打开、关闭以阻挡部分光脉冲），拦截光脉冲并阻掉部分延长波，之后会发生什么事？
为此团队使用量子方程式描述光子潜在电磁场在量子层级的行为；具体来说，团队假设光学快门速度快到能在中途截断光脉冲，类似将光子波形“切”成前半与后半，接著用量子场论方程式计算光子电磁场在快门干涉下如何改变量子态。
数学分析结果显示，快门打断光子波形后并不是形成一边光子、一边真空的状态，而是从量子真空（vacuum）产生无限多个光子。更精确来说，系统量子态会变成包含无限多光子的叠加态，真空中的电磁场涨落在快门作用瞬间被强烈干扰，激发大量虚光子变成实光子，理论上数量趋近无限。
挑战一刀两断直觉
有趣的是若只看快门位置两侧局部区域，我们会以为一切正常：一边看起来仍像单一光子，另一边看起来像真空，实际上整体量子态已被扰动变得极度复杂。
这项理论实验意义在于体现量子物理、经典物理的根本性差异：经典物体可以被分割，但量子粒子被“强行分割”会引发剧烈量子效应，且局域观测无法描述量子系统整体复杂性。
此外，尝试在时间/空间“截断”光子，本质上是改变整体量子场边界条件，牵涉对象不仅那颗光子，而是整个真空与场结构。
团队未来研究计划进一步探讨若涉及多个光子或其他基本粒子（如电子），是否也会出现类似奇异物理现象。
新论文发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）。
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