Фотон — это одиночная частица света, и в нормальных условиях его нельзя разделить. Но фотон также не является частицей в том смысле, что у него нет конкретного местоположения. Вместо этого это протяжённый объект.

Итак, если фотон только частично отражается от идеального зеркала, а вы выдёргиваете зеркало, что происходит? Ответ от трёх норвежских физиков оказывается сложнее, чем можно было ожидать.

Давайте сначала кратко поговорим о делении и объединении фотонов. Если бы это было обычным явлением в нашей жизни, то пропускание одного цвета света через кусок стекла или отражение от поверхности могло бы заставить фотоны делиться или объединяться. Это привело бы к потрясающему множеству цветов: наша вселенная стала бы самым фантастическим и легальным ЛСД-трипом, который только можно вообразить. Но этого обычно не происходит, отсюда и ЛСД.

Что происходит на самом деле, так это то, что фотоны могут делиться и объединяться при правильных обстоятельствах — по сути, среда, через которую проходит свет, должна меняться в ответ на свет. Это может привести к радуге цветов из одного источника цвета.

Технически мы бы сказали, что световые взаимодействия, которые мы видим вокруг, линейны, а комбинация/деление фотонов — это нелинейный процесс. Обычно, чтобы преодолеть эту нелинейность, нужна либо очень чувствительная среда, либо источник света очень высокой интенсивности, например лазер.

Внезапное удаление зеркала, пока фотон отражается, не является нелинейным в том смысле, в котором я обычно думаю об этом. Но если задуматься, это явно нелинейное событие. Эта линия мышления затемняется тем, как мы думаем об одиночных фотонах у зеркал.

Давайте начнём с примера частично отражающего зеркала. Когда одиночный фотон попадает на это зеркало, он либо проходит через зеркало, либо отражается от него. Считается, что фотон входит в суперпозиционное состояние, в котором он и отразился, и прошёл (вероятности каждого пути зависят от того, насколько зеркало отражающее). Если мы поместим детекторы на пути отражённых и прошедших фотонов, когда один срабатывает, он разрушает суперпозицию, и другой потенциальный путь исчезает. Нет обстоятельств, при которых оба детектора сработают одновременно. Мы не регистрируем половину фотона в каждом направлении.

Наивно можно было бы сделать тот же аргумент для полностью отражающего зеркала, которое убирается на полпути отражения. В этом аргументе фотон входит в суперпозиционное состояние прошедшего и отражённого, с вероятностью, определяемой тем, когда зеркало было убрано по сравнению с «размером» фотона. Опять же, когда мы пытаемся измерить, каким путём пошёл фотон, мы ожидаем, что суперпозиция разрушится, и только один детектор сработает.

Когда я остановился подумать об этом, было очевидно, что это неправильно. Но чтобы понять почему, нам нужно немного дополнительного теоретического багажа.

Время и частота — две стороны одной медали. Если мы сыграем ноту на пианино, есть картина во временной области: регулярное изменение давления со временем, которое продолжается довольно долго. Эта нота может быть описана одной частотой с одной амплитудой (насколько она громкая). Более сложные звуки (аккорды, стаккато) имеют сложную структуру во времени и описываются более сложными комбинациями частот, каждая со своей амплитудой (фаза тоже важна, но мы это проигнорируем).

Эта картина универсальна и применима ко всем изменяющимся во времени сигналам — и к гораздо большему. Когда я рос на ферме, слушая AM-радио на старомодной (даже тогда) ламповой радиоле, музыку всегда прерывал щелчок. Щелчок был от нашего электрического забора, который постоянно бил током какую-нибудь заблудшую траву, непослушную овцу или похотливого быка. Этот короткий резкий ток генерировал короткий электромагнитный импульс (и злого быка). Очень короткий импульс (во времени) присутствовал в очень широком спектре, включая, к моему раздражению, AM-диапазон.