你有沒有想過，拿一把“剪刀”去修剪一束光，會(huì)得到什么？在希臘神話里，勒拿九頭蛇被砍掉一個(gè)腦袋，立刻冒出兩個(gè)新的。而對(duì)光子來說，情況還要夸張得多——只要你想切下它的一小段，結(jié)果不是劈成兩半，而是憑空造出無限多個(gè)光子。

這件事聽上去像魔法，但它來自挪威奧斯陸大學(xué)約翰內(nèi)斯·斯卡（Johannes Skaar）團(tuán)隊(duì)一篇量子光學(xué)研究。他們?cè)O(shè)想把一面運(yùn)動(dòng)極快的鏡子放到光子面前，這面鏡子快得剛好能只反射光子的一部分，相當(dāng)于把光子的“尾巴”剪掉。這個(gè)動(dòng)作帶來的后果，比九頭蛇更不講理。

光子不是一顆玻璃珠

要理解為什么會(huì)這樣，得先放下對(duì)粒子的日常想象。質(zhì)子可以被打碎成三個(gè)夸克，但夸克本身是基本粒子，再無法分割。光子的身份也屬于基本粒子，按理說同樣不可拆分。不過量子力學(xué)里，光既可以看作由光子構(gòu)成的粒子流，也可以看作一團(tuán)電磁波。光子并不是一個(gè)邊界清晰的實(shí)心小球，它的波函數(shù)會(huì)在空間中拖出一條“尾巴”，沒有被嚴(yán)格鎖定在某一個(gè)點(diǎn)上。這就給了那面鏡子可乘之機(jī)：只要鏡面移動(dòng)速度足夠快，它就能剛好只反射光子的“尾巴”部分，而放過其余部分，制造出一種局部切割的錯(cuò)覺。

斯卡的研究組用量子電磁場(chǎng)方程模擬了這一過程，發(fā)現(xiàn)剪掉光子尾巴這個(gè)動(dòng)作，會(huì)直接生成一種極為復(fù)雜的量子光態(tài)——它是無限多光子的疊加態(tài)。換句話說，你明明只想切下一小塊，結(jié)果光子不僅沒有變少，反而瞬間增殖出一整個(gè)無窮大家族。

真空其實(shí)不空

這背后搗鬼的是量子真空。我們平常以為空無一物的地方，在量子場(chǎng)論里其實(shí)是一片沸騰的量子場(chǎng)海洋。電磁場(chǎng)無處不在，即使沒有任何光子，場(chǎng)也有微小的漲落，隨時(shí)可能被攪動(dòng)起來，激發(fā)出真實(shí)的粒子。那面快速移動(dòng)的鏡子，就像一根伸進(jìn)平靜水面的棍子，一攪之下，把真空里潛藏的電磁場(chǎng)漲落“晃”成了實(shí)實(shí)在在的光子。英國(guó)約克大學(xué)的塞繆爾·布朗斯坦（Samuel Braunstein）對(duì)這一點(diǎn)說得直白：“每次你快速移動(dòng)鏡子或快門，都是在攪動(dòng)真空，從虛空里‘變出’光子來。”

不過，這個(gè)無窮大的光子疊加態(tài)有一個(gè)狡猾之處。如果你只在鏡子附近做局域測(cè)量——也就是只在某一個(gè)位置進(jìn)行觀測(cè)——你會(huì)看到鏡像的一側(cè)好像只有一個(gè)普通的光子，另一側(cè)則完全是真空。一個(gè)極其復(fù)雜的量子態(tài)，竟然能喬裝成如此簡(jiǎn)單的結(jié)果。布朗斯坦對(duì)此的評(píng)論是：“量子理論里，一個(gè)可怕地復(fù)雜的對(duì)象，完全可以偽裝成某個(gè)極簡(jiǎn)單的東西。”

實(shí)驗(yàn)離我們還有多遠(yuǎn)

以色列魏茨曼科學(xué)研究學(xué)院的烏爾夫·萊昂哈特（Ulf Leonhardt）指出，超快快門在真空中確實(shí)會(huì)產(chǎn)生光子，相關(guān)現(xiàn)象已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)里被觀測(cè)到。但這次提出的“剪光子”方案，技術(shù)要求還要更高。在如今實(shí)驗(yàn)室里，操控光的超快時(shí)間尺度已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實(shí)，可是新研究里所要求的快門速度，仍比現(xiàn)有技術(shù)所能達(dá)到的更快。萊昂哈特也提到，這項(xiàng)工作把視線引向了量子真空現(xiàn)象的進(jìn)一步探索，未來有可能幫助人們修正或者完善電磁場(chǎng)的量子場(chǎng)理論。

也就是說，我們暫時(shí)還沒有一把能真正“剪光”的鏡子，但這套思想實(shí)驗(yàn)已經(jīng)牽引出一個(gè)事實(shí)：量子世界里的“無”，遠(yuǎn)比想象中富有。動(dòng)一下真空，光就會(huì)憑空涌出，而且不是幾個(gè)，是無窮多個(gè)。古希臘人編出九頭蛇的時(shí)候，大概沒想過現(xiàn)實(shí)比神話還要不講理。