В случай, че не сте го осъзнали, фотоните са малки късчета светлина. Всъщност те са най-малката възможна светлина. Когато включите лампа, гигантски числа фотони извират от тази крушка и се блъскат в очите ви, където те се абсорбират от вашата ретина и се превръщат в електрически сигнал, така че да можете да видите какво правите.
Така че можете да си представите колко фотона ви заобикалят наведнъж. Не само от светлините в стаята ви, но и фотоните също се вливат през прозореца от слънцето. Дори вашето собствено тяло генерира фотони, но през цялото време с инфрачервени енергии, така че се нуждаете от очила за нощно виждане, за да ги видите. Но те все още са там.
И, разбира се, всички радиовълни и ултравиолетови лъчи и всички останали лъчи непрекъснато бомбардират вас и всичко останало с безкраен поток фотони.
Навсякъде са фотони.
Тези малки пакетчета светлина не трябва да взаимодействат помежду си, като по същество нямат "осъзнаване", че другите дори съществуват. Законите на физиката са такива, че един фотон просто минава покрай друг с нулево взаимодействие.
Така поне си мислеха физиците. Но в нов експеримент във вътрешността на най-мощния атом за разбиване на атоми, изследователите добиха представа за невъзможното: фотони се блъскат един в друг. Уловката? Тези фотони бяха малко извън играта им, което означава, че не се държаха като себе си и вместо това временно станаха „виртуални“. Изучавайки тези супер редки взаимодействия, физиците се надяват да разкрият някои от основните свойства на светлината и евентуално дори да открият нова високоенергийна физика, като велики обединени теории и (може би) суперсиметрия.
Леко докосване
Обикновено е хубаво фотоните да не си взаимодействат един с друг или да не се отскачат един от друг, защото това би било пълна лудница с фотони, които никога не отиват никъде по каквато и да е права линия. Така че, за щастие, два фотона просто ще се приплъзват един към друг, сякаш другият дори не съществува.
Тоест, през повечето време.
При високоенергийни експерименти можем (с много лакътна мазнина) да получим два фотона, които да се удрят един друг, въпреки че това се случва много рядко. Физиците се интересуват от този вид процес, защото той разкрива някои много дълбоки свойства на самата природа на светлината и може да помогне за разкриването на някаква неочаквана физика.
Фотоните толкова рядко си взаимодействат помежду си, защото се свързват само с частици, които имат електрически заряд. Това е само едно от онези правила на Вселената, които трябва да живеем. Но ако това е правилото на Вселената, тогава как бихме могли да получим два фотона, които нямат заряд, да се свързват помежду си?
Когато фотон не е
Отговорът се крие в един от най-непроницаемите и в същото време вкусни аспекти на съвременната физика и идва от фалшивото име на квантовата електродинамика.
В тази картина на субатомния свят, фотонът не е непременно фотон. Е, поне, това не винаги е фотон. Частици като електрони и фотони и всички останали - непрекъснато се въртят напред-назад, променяйки идентичности, докато пътуват. В началото изглежда объркващо: как може да се каже, светлинен лъч да бъде нещо различно от лъч светлина?
За да разберем това щуро поведение, трябва малко да разширим съзнанието си (да заемем израз).
В случай на фотони, докато пътуват, всеки път (и имайте предвид, че това е изключително, изключително рядко), човек може да промени мнението си. И вместо да бъде само фотон, той може да се превърне в двойка частици, отрицателно зареден електрон и положително зареден позитрон (партньор на антиматерията на електрона), които пътуват заедно.
Мигайте и ще го пропуснете, защото позитронът и електронът ще се намерят един друг и, както се случва, когато материята и антиматерията се срещнат, те унищожават, обедняват. Странната двойка ще се превърне обратно във фотон.
Поради различни причини, които са твърде сложни, за да влязат в момента, когато това се случи, тези двойки се наричат виртуални частици. Достатъчно е да се каже, че в почти всички случаи никога не се стига до взаимодействие с виртуалните частици (в този случай - позитрон и електрон) и винаги се случва да разговаряте с фотона.
Но не във всеки случай.
Светлина в тъмнината
В поредица от експерименти, провеждани от сътрудничеството на ATLAS на Големия адронен колайдер под френско-швейцарската граница и наскоро изпратен в онлайн журнала за предпечатници arXiv, екипът прекара твърде много време, забивайки оловни ядра едно в друго с почти бързината на светлината , Всъщност обаче не позволиха на оловните частици да се удрят една в друга; вместо това, битовете просто дойдоха много, много, много, много близо.
По този начин, вместо да се налага да се справя с гигантска бъркотия на сблъсък, включваща много допълнителни частици, сили и енергии, оловните атоми просто взаимодействат чрез електромагнитната сила. С други думи, те просто си размениха цяла група фотони.
И от време на време - изключително, невероятно рядко - един от тези фотони за кратко би се превърнал в двойка, съставена от позитрон и електрон; след това, друг фотон ще види един от тези позитрони или електрони и ще говори с него. Ще възникне взаимодействие.
Сега при това взаимодействие фотонът просто се блъска в електрон или в позитрон и тръгва по своя весел път без никаква вреда. В крайна сметка този позитрон или електрон намира своята половинка и се връща като фотон, така че резултатът от два фотона, удрящи се един друг, е само два фотона, отскачащи един от друг. Но това, че те изобщо са успели да разговарят помежду си, е забележително.
Колко забележително? Е, след трилиони на трилиони сблъсъци, екипът откри общо 59 потенциални кръстовища. Само на 59.
Но какво ни казват тези 59 взаимодействия за Вселената? От една страна, те потвърждават тази картина, че фотонът не винаги е фотон.
И като се ровим в самата квантова природа на тези частици, бихме могли да научим нова физика. Например, в някои фантастични модели, които прокарват границите на известната физика на частиците, тези фотонови взаимодействия се случват с малко по-различни темпове, което потенциално ни дава начин да изследваме и тестваме тези модели. В момента нямаме достатъчно данни, за да кажем разликите между всеки от тези модели. Но сега, когато техниката е установена, може да направим малко напред.
И тук ще се наложи да извините много очевидното затваряне на играчка, но да се надяваме, че скоро можем да хвърлим малко светлина върху ситуацията.
Пол М. Сътър е астрофизик в Държавният университет в Охайо, домакин на „Попитайте Космонавт" и "Космическо радио,"и автор на"Вашето място във Вселената."
