"Я же говорил!" — как забытый эксперимент из 90-х внезапно подтвердил безумную теорию о фотонах-невидимках

Когда две электромагнитные волны встречаются и гасят друг друга, классическая физика считает, что их воздействие на материю исчезает. Ведь если электрические поля взаимно уничтожаются, то и энергии для взаимодействия вроде бы нет. Однако квантовая механика утверждает обратное: даже если среднее электрическое поле света равно нулю, его кванты — фотоны — продолжают влиять на окружающее пространство.

Исследователи из Федерального университета Сан-Карлуса, ETH Zurich и Института квантовой оптики Макса Планка решили разобраться , почему эти две картины — классическая и квантовая — так сильно расходятся. В своей новой работе, опубликованной в Physical Review Letters, они предлагают свежий взгляд на природу интерференции света с позиции квантовой оптики, где поведение фотонов определяется не полями, а их квантовыми состояниями.

Главная идея — заменить привычное описание интерференции как наложения волн на описание через запутанные состояния частиц, так называемые яркие и тёмные квантовые состояния. Эти состояния возникают, когда два световых поля (например, лазерных пучка) находятся в суперпозиции состояний с нулем и одной частицей — фотоном. В этом случае «яркое» состояние — такое, при котором частица может быть обнаружена, а «тёмное» — такое, где она есть, но остаётся недоступной для обычного детектора.

Один из авторов работы, Герд Ремпе, вспоминает, как всё начиналось: «Мы с Селсо Виллас-Боасом долго обсуждали, что произойдёт, если атом будет находиться в поле двух световых волн, каждая из которых может содержать либо один фотон, либо ни одного. Это натолкнуло нас на идею использовать понятие ярких и тёмных состояний света — аналогию с состояниями атомов, описанными Дикке ещё в 1950-х годах».

Оказалось, что в этом подходе классическая интерференция с чередующимися максимумами и минимумами интенсивности превращается в последовательность ярких и тёмных состояний — не волн, а фотонов. Причём фотоны в тёмных состояниях действительно присутствуют, но остаются как бы «невидимыми» для детекторов. Это довольно парадоксально: частицы есть, а зафиксировать их — нельзя.

Подтверждение этой теории Ремпе неожиданно нашёл в старом эксперименте своей группы из 1990-х. Тогда они исследовали, как наблюдение за тем, через какую щель пролетает частица в эксперименте с двумя щелями, влияет на интерференционную картину. Выяснилось, что «мягкое» наблюдение, которое не даёт фотону толчка, всё равно может изменить результат — например, превратить тёмное состояние в яркое, не изменяя траектории частицы. Это означало, что сам факт наблюдения влияет на квантовое состояние — классика квантовой механики.

Новая модель описывает интерференцию не как явление суперпозиции волн, а как результат взаимодействия запутанных квантовых состояний. Яркие состояния приводят к максимумам, тёмные — к минимумам. При этом фотоны в тёмных состояниях по-прежнему существуют, просто их нельзя зафиксировать с помощью данного типа детектора. То есть классические уравнения Максвелла, как признаёт Ремпе, оказываются всего лишь частным случаем квантовой теории.

Учёные считают, что их подход может перевернуть представление о том, как устроена интерференция. Вместо полей — частицы. Вместо волн — квантовые состояния. Это может привести к новым экспериментам и переосмыслению старых, а также расширить рамки того, что мы считаем «видимым» и «невидимым» в физике.