光子是光的單個粒子，在通常情況下無法被分割。但光子又不像普通粒子那樣有確定的位置，它是一種具有空間延伸性的存在。
那麼，如果一個光子正處於被完美鏡面反射的過程中，鏡子突然被抽走，會發生什麼？來自挪威的三位物理學家給出的答案，比預想的要複雜得多。
光子的分裂與合併
先簡單聊聊光子的分裂與合併現象。如果這是日常生活中的普遍現象，那麼讓單色光穿過玻璃或被鏡面反射，就可能導致光子分裂或合併，進而產生絢麗的色彩變化——整個宇宙看起來就像一場極致的迷幻體驗。但現實中這種情況並不會隨便發生。
光子的分裂與合併確實會在特定條件下出現，前提是光所穿過的介質必須對光本身產生響應。這種現象可以從單色光源中產生出彩虹般的色彩。
從專業角度來說，我們日常看到的光學現象屬於線性過程，而光子的合併與分裂則是非線性過程。要突破這種非線性限制，通常需要極為靈敏的介質，或者極高強度的光源，比如雷射。
在反射過程中突然抽走鏡子，這個事件乍看起來並不像通常意義上的非線性過程。但仔細思考就會發現，這顯然是一個非線性事件。之所以容易被忽視，是因為我們慣常的單光子鏡面反射思維框架遮蔽了這一點。
半透鏡與疊加態
先從半透鏡的例子說起。當一個光子射到半透鏡上，它要麼穿透、要麼反射。光子會進入一種"既反射又透射"的疊加態，兩種路徑的概率取決於鏡面的反射率。如果在反射和透射路徑上各放一個探測器，其中一個探測器響應時，疊加態便會坍縮，另一條路徑隨之消失。
兩個探測器不會同時響應，我們不會各記錄到半個光子。
從直覺上看，對於在反射過程中被抽走的全反射鏡，似乎也可以做出相同的論斷：光子進入疊加態，概率由鏡子被抽走的時機相對於光子"尺寸"來決定，測量時疊加態坍縮，只有一個探測器響應。
但實驗結果並非如此。
時間與頻率的對偶關係
要理解為什麼會這樣，需要引入一些額外的理論背景。
時間與頻率是同一事物的兩面。鋼琴彈出的一個音符，在時域上表現為持續一段時間的規律性氣壓振動，可以用單一頻率和振幅來描述。而複雜的聲音（和弦、斷奏）在時域上結構複雜，需要多種頻率組合來描述。
這個規律同樣適用於光子與鏡面的反射過程。在正常反射中，電磁場從入射波平滑過渡為反射波，振幅的變化是連續而均勻的。
然而，一旦鏡子被突然抽走，反射波的振幅驟降為零，透射波從零驟然躍起。這兩處急劇的躍變，所需的頻率頻寬遠遠超過原始光子本身。被"截斷"的光子仍處於反射與透射的疊加態，但由於存在尖銳的邊緣，它需要由多個不同頻率的光子疊加來構成。
換句話說，把一個光子"切成兩半"，會產生一道彩虹。
據推斷，這些新產生的光子同時處於反射光和透射光的疊加態。由於可能產生多個光子，反射和透射路徑上的探測器有可能同時響應。
實驗挑戰
要在實驗中驗證這一現象，面臨相當大的挑戰。研究人員需要一個能夠按需產生極窄譜線寬度單光子的光源，使光子在時域上足夠延展，以便觀測截斷效應產生的新光子。同時，還需要能在精確時機觸發鏡面切換的裝置。
這種切換不能用普通鏡子來實現。研究人員計算表明，從反射態到透射態的轉變需要在約10飛秒（1飛秒=10???秒）內完成，這遠遠超出了物理移動鏡子所能達到的速度。半導體等材料可以藉助超快雷射脈衝在30至100飛秒內實現這一切換。但這束觸發雷射本身會帶來干擾，如何將其濾除、以便觀測單光子截斷效應產生的新光子，將是一大難題。
不過，已有間接證據支持這一機制。上述鏡面被用來壓縮超短脈衝，反射脈衝在此過程中產生了更多頻率成分，說明必然有新光子生成。只是針對單光子的直接觀測尚未實現。研究人員預計，這一實驗有望在約一年內完成。
相關研究已發表於《物理評論快報》，DOI：10.1103/94pm-hp34
Q&A
Q1：光子在鏡面反射過程中鏡子被抽走，會發生什麼？
A：當鏡子在光子反射過程中被突然移走時，反射波振幅驟降為零，透射波也從零急劇躍起，這兩處突變在頻域上需要極寬的頻寬，遠超原始光子的頻譜範圍。結果是，被截斷的光子會"裂變"出一系列不同頻率的新光子，即產生類似彩虹的多頻率光。與常見認知不同，反射和透射路徑上的探測器可能會同時響應，而不是只有一個響應。
Q2：光子分裂為什麼是非線性過程？日常生活中為何看不到？
A：光子的分裂與合併屬於非線性光學過程，需要介質對光本身產生響應，或需要極高強度光源（如雷射）才能觸發。日常光源強度不足，普通介質也不具備這種響應能力，因此單色光穿過玻璃或被鏡面反射時，不會隨意發生光子分裂或合併，我們也看不到由此產生的異常色彩。
Q3：驗證光子截斷效應的實驗難點在哪裡？
A：主要有兩大難點：一是需要能按需產生極窄譜線寬度單光子的光源，使光子在時域上足夠延展；二是鏡面從反射態切換到透射態需要在約10飛秒內完成，物理移動鏡子完全做不到，雖然半導體材料可以通過超快雷射脈衝實現30至100飛秒內的切換，但這束觸發雷射本身會產生強烈干擾，難以從中分辨出單光子截斷效應所產生的微弱新光子信號。
