新的研究創建出單個光子形狀的首張數學可視化圖像

光子形狀的第一個直接可視化已經創建。這些光粒子是不可能被拍攝下來的，但是伯明翰大學的物理學家們現在已經計算出了它們的波函數，從而產生了光子發射時的精確圖像。

光子是讓我們用眼睛和照相機看到東西的東西。當它們到達我們的視網膜或相機傳感器時，它們攜帶着發射它們的源的信息，或者它們在途中反彈的物體的信息，允許我們的大腦或相機構建圖像。

然而，光子永遠無法捕捉到其他光子的圖像。這是因爲它們不會以任何方式相互作用。但是現在，伯明翰的物理學家們創造了下一個最好的東西：一個精確的光子形狀的數學可視化。

“可視化是光子的精確模擬，因爲它是由納米粒子表面的原子發射的，”合著者Ben Yuen告訴我們。“光子的形狀受到納米粒子的深刻影響，使光子發射的可能性增加數千倍，甚至允許它被原子多次重新吸收。”

光子的“形狀”是一件棘手的事情，它與說明常規物體的形狀並不完全相同。相反，它是一個強度分佈 —— 基本上，一個你可以期望在某個時間點找到光子的地圖。當測量光子的位置時，較亮的區域表明光子出現在那裡的可能性較高。

“可視化正是光子發射後短時間內的分佈，”Yuen告訴我們。“因爲它是一個量子粒子，你不能一次測量它，因爲測量會破壞它。然而，如果你要多次重複測量一個光子被探測到的位置，你會精確地看到這個分佈。”

“此外，量子力學最奇怪的事情之一是，在光子被探測到之前，這種強度分佈的所有細節信息已經通過我們稱之爲‘波函數’的東西存在了，這正是我們第一次能夠計算出來的，”Yuen繼續說。

那麼，在研究光子的漫長曆史中，爲什麼科學家們以前還沒有能夠創造出這種圖像呢？事實證明，Yuen和他的合作者Angela Demetriadou並沒有積極嘗試 —— 這是一項更普遍的研究的副產品。

“我們開始回答一些非常基本的問題：光子是如何由原子和分子發射的，它們的環境對此有什麼影響？”Yuen告訴我們。“這是物理學家只能在只包含單個原子/分子的完美真空中精確模擬的東西，但周圍沒有其他東西。然而，長期以來人們都知道環境會對這一過程產生深遠的影響，但沒有任何理論能夠完全捕捉到它的所有細節。”

爲了實現這一目標，該團隊開始開發一種量子場論，其中包括與光子相互作用的硅納米粒子。問題是納米粒子如何與連續光譜的光相互作用，本質上有無限的可能性。幸運的是，研究小組找到了縮小範圍的方法。

“我們使用了一個叫做複分析的數學分支，將這個問題從一個基於實數的連續集合轉換成一個基於一些不同複數的離散集合，”Yuen說。“雖然這看起來很‘複雜’，但這極大地簡化了問題，使我們能夠準確地將其表示爲只有幾百個‘複雜’光模式的相互作用。

這項工作順便讓團隊創建了上面的光子可視化。

Yuen說：“令人驚訝的是，當我們這樣做的時候，許多細節開始從我們的理論中消失，比如光是如何傳播的，以及光子強度分佈的確切形狀。”

研究人員表示，這項工作極大地提高了我們對光與物質相互作用的理解，這可能會在太陽能電池、量子計算和傳感器中得到應用。

這項研究發表在《物理評論快報》雜誌上。

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