新的研究创建出单个光子形状的首张数学可视化图像

光子形状的第一个直接可视化已经创建。这些光粒子是不可能被拍摄下来的，但是伯明翰大学的物理学家们现在已经计算出了它们的波函数，从而产生了光子发射时的精确图像。

光子是让我们用眼睛和照相机看到东西的东西。当它们到达我们的视网膜或相机传感器时，它们携带着发射它们的源的信息，或者它们在途中反弹的物体的信息，允许我们的大脑或相机构建图像。

然而，光子永远无法捕捉到其他光子的图像。这是因为它们不会以任何方式相互作用。但是现在，伯明翰的物理学家们创造了下一个最好的东西：一个精确的光子形状的数学可视化。

“可视化是光子的精确模拟，因为它是由纳米粒子表面的原子发射的，”合著者Ben Yuen告诉我们。“光子的形状受到纳米粒子的深刻影响，使光子发射的可能性增加数千倍，甚至允许它被原子多次重新吸收。”

光子的“形状”是一件棘手的事情，它与说明常规物体的形状并不完全相同。相反，它是一个强度分布 —— 基本上，一个你可以期望在某个时间点找到光子的地图。当测量光子的位置时，较亮的区域表明光子出现在那里的可能性较高。

“可视化正是光子发射后短时间内的分布，”Yuen告诉我们。“因为它是一个量子粒子，你不能一次测量它，因为测量会破坏它。然而，如果你要多次重复测量一个光子被探测到的位置，你会精确地看到这个分布。”

“此外，量子力学最奇怪的事情之一是，在光子被探测到之前，这种强度分布的所有细节信息已经通过我们称之为‘波函数’的东西存在了，这正是我们第一次能够计算出来的，”Yuen继续说。

那么，在研究光子的漫长历史中，为什么科学家们以前还没有能够创造出这种图像呢？事实证明，Yuen和他的合作者Angela Demetriadou并没有积极尝试 —— 这是一项更普遍的研究的副产品。

“我们开始回答一些非常基本的问题：光子是如何由原子和分子发射的，它们的环境对此有什么影响？”Yuen告诉我们。“这是物理学家只能在只包含单个原子/分子的完美真空中精确模拟的东西，但周围没有其他东西。然而，长期以来人们都知道环境会对这一过程产生深远的影响，但没有任何理论能够完全捕捉到它的所有细节。”

为了实现这一目标，该团队开始开发一种量子场论，其中包括与光子相互作用的硅纳米粒子。问题是纳米粒子如何与连续光谱的光相互作用，本质上有无限的可能性。幸运的是，研究小组找到了缩小范围的方法。

“我们使用了一个叫做复分析的数学分支，将这个问题从一个基于实数的连续集合转换成一个基于一些不同复数的离散集合，”Yuen说。“虽然这看起来很‘复杂’，但这极大地简化了问题，使我们能够准确地将其表示为只有几百个‘复杂’光模式的相互作用。

这项工作顺便让团队创建了上面的光子可视化。

Yuen说：“令人惊讶的是，当我们这样做的时候，许多细节开始从我们的理论中消失，比如光是如何传播的，以及光子强度分布的确切形状。”

研究人员表示，这项工作极大地提高了我们对光与物质相互作用的理解，这可能会在太阳能电池、量子计算和传感器中得到应用。

这项研究发表在《物理评论快报》杂志上。

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