把光子"切成两半"会发生什么？

光子是光的单个粒子，在通常情况下无法被分割。但光子又不像普通粒子那样有确定的位置，它是一种具有空间延伸性的存在。

那么，如果一个光子正处于被完美镜面反射的过程中，镜子突然被抽走，会发生什么？来自挪威的三位物理学家给出的答案，比预想的要复杂得多。

光子的分裂与合并

先简单聊聊光子的分裂与合并现象。如果这是日常生活中的普遍现象，那么让单色光穿过玻璃或被镜面反射，就可能导致光子分裂或合并，进而产生绚丽的色彩变化——整个宇宙看起来就像一场极致的迷幻体验。但现实中这种情况并不会随便发生。

光子的分裂与合并确实会在特定条件下出现，前提是光所穿过的介质必须对光本身产生响应。这种现象可以从单色光源中产生出彩虹般的色彩。

从专业角度来说，我们日常看到的光学现象属于线性过程，而光子的合并与分裂则是非线性过程。要突破这种非线性限制，通常需要极为灵敏的介质，或者极高强度的光源，比如激光。

在反射过程中突然抽走镜子，这个事件乍看起来并不像通常意义上的非线性过程。但仔细思考就会发现，这显然是一个非线性事件。之所以容易被忽视，是因为我们惯常的单光子镜面反射思维框架遮蔽了这一点。

半透镜与叠加态

先从半透镜的例子说起。当一个光子射到半透镜上，它要么穿透、要么反射。光子会进入一种"既反射又透射"的叠加态，两种路径的概率取决于镜面的反射率。如果在反射和透射路径上各放一个探测器，其中一个探测器响应时，叠加态便会坍缩，另一条路径随之消失。

两个探测器不会同时响应，我们不会各记录到半个光子。

从直觉上看，对于在反射过程中被抽走的全反射镜，似乎也可以做出相同的论断：光子进入叠加态，概率由镜子被抽走的时机相对于光子"尺寸"来决定，测量时叠加态坍缩，只有一个探测器响应。

但实验结果并非如此。

时间与频率的对偶关系

要理解为什么会这样，需要引入一些额外的理论背景。

时间与频率是同一事物的两面。钢琴弹出的一个音符，在时域上表现为持续一段时间的规律性气压振动，可以用单一频率和振幅来描述。而复杂的声音（和弦、断奏）在时域上结构复杂，需要多种频率组合来描述。

这个规律同样适用于光子与镜面的反射过程。在正常反射中，电磁场从入射波平滑过渡为反射波，振幅的变化是连续而均匀的。

然而，一旦镜子被突然抽走，反射波的振幅骤降为零，透射波从零骤然跃起。这两处急剧的跃变，所需的频率带宽远远超过原始光子本身。被"截断"的光子仍处于反射与透射的叠加态，但由于存在尖锐的边缘，它需要由多个不同频率的光子叠加来构成。

换句话说，把一个光子"切成两半"，会产生一道彩虹。

据推断，这些新产生的光子同时处于反射光和透射光的叠加态。由于可能产生多个光子，反射和透射路径上的探测器有可能同时响应。

实验挑战

要在实验中验证这一现象，面临相当大的挑战。研究人员需要一个能够按需产生极窄谱线宽度单光子的光源，使光子在时域上足够延展，以便观测截断效应产生的新光子。同时，还需要能在精确时机触发镜面切换的装置。

这种切换不能用普通镜子来实现。研究人员计算表明，从反射态到透射态的转变需要在约10飞秒（1飞秒=10???秒）内完成，这远远超出了物理移动镜子所能达到的速度。半导体等材料可以借助超快激光脉冲在30至100飞秒内实现这一切换。但这束触发激光本身会带来干扰，如何将其滤除、以便观测单光子截断效应产生的新光子，将是一大难题。

不过，已有间接证据支持这一机制。上述镜面被用来压缩超短脉冲，反射脉冲在此过程中产生了更多频率成分，说明必然有新光子生成。只是针对单光子的直接观测尚未实现。研究人员预计，这一实验有望在约一年内完成。

相关研究已发表于《物理评论快报》，DOI：10.1103/94pm-hp34

Q&A

Q1：光子在镜面反射过程中镜子被抽走，会发生什么？

A：当镜子在光子反射过程中被突然移走时，反射波振幅骤降为零，透射波也从零急剧跃起，这两处突变在频域上需要极宽的带宽，远超原始光子的频谱范围。结果是，被截断的光子会"裂变"出一系列不同频率的新光子，即产生类似彩虹的多频率光。与常见认知不同，反射和透射路径上的探测器可能会同时响应，而不是只有一个响应。

Q2：光子分裂为什么是非线性过程？日常生活中为何看不到？

A：光子的分裂与合并属于非线性光学过程，需要介质对光本身产生响应，或需要极高强度光源（如激光）才能触发。日常光源强度不足，普通介质也不具备这种响应能力，因此单色光穿过玻璃或被镜面反射时，不会随意发生光子分裂或合并，我们也看不到由此产生的异常色彩。

Q3：验证光子截断效应的实验难点在哪里？

A：主要有两大难点：一是需要能按需产生极窄谱线宽度单光子的光源，使光子在时域上足够延展；二是镜面从反射态切换到透射态需要在约10飞秒内完成，物理移动镜子完全做不到，虽然半导体材料可以通过超快激光脉冲实现30至100飞秒内的切换，但这束触发激光本身会产生强烈干扰，难以从中分辨出单光子截断效应所产生的微弱新光子信号。