Якщо фотони не відчувають часу, то як вони можуть осцилювати?
Гарне запитання, особливо якщо фізики миттєво займуть "обережну" позицію. А відповідь, найімовірніше, буде сформульована таким чином, щоб спертися на феномен нейтринних осциляцій.
Як фотони можуть осцилювати
Саме спостереження нейтринних осциляцій дало змогу встановити, що нейтрино повинно мати масу і, отже, не рухатися зі швидкістю світла.
Однак головне полягає в тому, що нейтрино осцилюють між різними виявленими формами. Це означає, що у нейтрино є властивий їм ступінь свободи.
У фотона не так багато виявлених ступенів свободи. Один із них - поляризація, інший - хвильовий вектор, третій - частота/енергія моди.
Жоден із цих ступенів свободи не змінюється з часом під час поширення фотона (вибачте за каламбур).
Утім, треба додати застереження, що зміни хвильового вектора і частоти моди можуть відбуватися у викривленому просторі-часі, що викривляється і розширюється, але це зовнішні ефекти, а не спонтанні внутрішні зміни.
Одна з "дивацтв" фотонів полягає в тому, що, хоча вони можуть бути пов'язані з частотою, їхні коливання не можна спостерігати.
Ідея осциляції в цьому контексті має бути пов'язана з якоюсь спостережуваною властивістю, що змінюється в часі.
Саме в цьому випадку уявлення фотона як якогось хвильового пакету, що осцилює, може дати неправильний сигнал.
У квантовій фізиці важливі тільки ті властивості, які можна виміряти. Ви можете виміряти поляризацію. Ви можете виміряти енергію/частоту. Ви можете виміряти хвильовий вектор.
Однак ви не можете виміряти нічого "осцилюючого". Тому фотон має властивості, що відповідають безмасовій частці.
Інакше кажучи, виникає частота без осциляції. Це складна концепція, тому що вона - специфічно квантова концепція.
Насправді фотон - це не стільки частинка, скільки квантовий об'єкт, і його не можна зрозуміти в суто класичних, ньютонівських термінах.
Якщо щось осцилює, воно повинно мати властивість, яка змінюється в часі. Тобто ця властивість має бути вимірюваною.
Питання: що ж ми можемо виміряти, щоб показати осцилюючу природу фотона?
Ми можемо визначити оператор електричного поля. Класично, електричне поле осцилює в часі. Однак, коли ми будуємо цей оператор, ми виявляємо, що стан фотона не є власним станом оператора електричного поля.
Ба більше, ми можемо побудувати фазовий оператор, який має сказати нам, у якій фазі осциляції перебуває фотон.
Але, знову-таки, стан фотона не є власним станом фазового оператора. Це означає, що фаза фотона невизначена.
Таким чином, не існує операторів, які ми можемо побудувати, щоб виявити будь-які властивості фотона, що змінюються в часі.
Так, це дивно, але така квантова теорія. Часто доводиться залишати свою класичну інтуїцію за дверима.
