В случае, если вы этого не понимали, фотоны - это крошечные кусочки света. На самом деле, они наименьшее количество света. Когда вы включаете лампу, гигантские фотоны появляются из этой колбы и попадают в ваши глаза, где они поглощаются сетчаткой и превращаются в электрический сигнал, чтобы вы могли видеть, что вы делаете.
Итак, вы можете себе представить, сколько фотонов окружают вас одновременно. Не только от света в вашей комнате, но и от солнца через окно проникают фотоны. Даже ваше собственное тело генерирует фотоны, но в инфракрасных энергиях все время вниз, поэтому вам нужны очки ночного видения, чтобы их увидеть. Но они все еще там.
И, конечно, все радиоволны, ультрафиолетовые лучи и все остальные лучи постоянно бомбардируют вас и все остальное бесконечным потоком фотонов.
Это фотоны везде.
Эти маленькие пакеты света не должны взаимодействовать друг с другом, по существу не имея «осознания» того, что другие вообще существуют. Законы физики таковы, что один фотон просто проходит мимо другого с нулевым взаимодействием.
По крайней мере, так думали физики. Но в новом эксперименте внутри самого мощного в мире атомного разрушителя исследователи получили представление о невозможном: фотоны сталкиваются друг с другом. Подвох? Эти фотоны были немного вне их игры, что означало, что они не вели себя как они, а вместо этого временно стали «виртуальными». Изучая эти супер-редкие взаимодействия, физики надеются раскрыть некоторые фундаментальные свойства света и, возможно, даже открыть новую физику высоких энергий, такую как великие унифицированные теории и (возможно) суперсимметрия.
Легкое прикосновение
Обычно хорошо, что фотоны не взаимодействуют друг с другом и не отскакивают друг от друга, потому что это был бы полный сумасшедший дом с фотонами, никогда не движущимися по какой-либо прямой линии. Так что, к счастью, два фотона будут просто скользить друг по другу, как будто другого даже не существует.
То есть большую часть времени.
В высокоэнергетических экспериментах мы можем (с большим количеством локтевой смазки) заставить два фотона ударить друг друга, хотя это случается очень редко. Физики заинтересованы в такого рода процессах, потому что он раскрывает некоторые очень глубокие свойства самой природы света и может помочь раскрыть некоторую неожиданную физику.
Фотоны так редко взаимодействуют друг с другом, потому что они соединяются только с частицами, которые имеют электрические заряды. Это просто одно из тех правил вселенной, по которым мы должны жить. Но если это правило вселенной, то как мы можем заставить два фотона, которые не имеют заряда, соединяться друг с другом?
Когда фотон не
Ответ кроется в одном из самых непостижимых и в то же время восхитительных аспектов современной физики, и он идет под причудливым названием квантовой электродинамики.
На этой картине субатомного мира фотон не обязательно является фотоном. Ну, по крайней мере, это не всегда фотон. Частицы, такие как электроны и фотоны и все остальные, постоянно переворачиваются назад и вперед, изменяя идентичность по мере их движения. Поначалу кажется странным: как, скажем, луч света может быть чем-то другим, кроме луча света?
Чтобы понять это дурацкое поведение, нам нужно немного расширить свое сознание (заимствовать выражение).
В случае фотонов, когда они путешествуют, время от времени (и имейте в виду, что это крайне, крайне редко), можно передумать. И вместо того, чтобы быть просто фотоном, он может стать парой частиц, отрицательно заряженного электрона и положительно заряженного позитрона (партнера антивещества электрона), которые путешествуют вместе.
Моргните, и вы пропустите это, потому что позитрон и электрон найдут друг друга, и, как это происходит, когда материя и антивещество встречаются, они уничтожают, пуф. Нечетная пара превратится обратно в фотон.
По разным причинам, которые слишком сложны, чтобы в них сейчас разобраться, когда это происходит, эти пары называются виртуальными частицами. Достаточно сказать, что почти во всех случаях вам никогда не удастся взаимодействовать с виртуальными частицами (в данном случае с позитроном и электроном), и вы только когда-либо сможете общаться с фотоном.
Но не в каждом случае.
Свет в темноте
В серии экспериментов, проведенных в сотрудничестве с ATLAS на Большом адронном коллайдере под французско-швейцарской границей и недавно представленных в онлайн-журнале препринтов arXiv, команда потратила слишком много времени, вбивая свинцовые ядра друг в друга почти со скоростью света. , Однако на самом деле они не позволяли свинцовым частицам биться друг о друга; вместо этого биты были очень, очень, очень, очень близки.
Таким образом, вместо того, чтобы иметь дело с гигантским беспорядком столкновения, включающим много дополнительных частиц, сил и энергий, атомы свинца просто взаимодействовали через электромагнитную силу. Другими словами, они просто обменялись множеством фотонов.
И время от времени - крайне, очень редко - один из этих фотонов на короткое время превращался в пару, состоящую из позитрона и электрона; затем другой фотон увидит один из этих позитронов или электронов и поговорит с ним. Взаимодействие будет происходить.
Теперь, в этом взаимодействии, фотон просто как бы врезается в электрон или позитрон и уходит на свой веселый путь без какого-либо вреда. В конце концов, этот позитрон или электрон находит свою пару и возвращается к фотону, поэтому в результате попадания двух фотонов друг в друга просто два фотона отражаются друг от друга. Но то, что они вообще могли разговаривать друг с другом, замечательно.
Как замечательно? Что ж, после триллионов и триллионов столкновений команда обнаружила всего 59 потенциальных пересечений. Всего 59
Но что эти 59 взаимодействий говорят нам о вселенной? С одной стороны, они подтверждают эту картину, что фотон не всегда фотон.
И, копаясь в самой квантовой природе этих частиц, мы могли бы изучить некоторую новую физику. Например, в некоторых причудливых моделях, которые раздвигают границы известной физики элементарных частиц, эти фотонные взаимодействия происходят с немного различными скоростями, что потенциально дает нам возможность исследовать и тестировать эти модели. В настоящее время у нас недостаточно данных, чтобы определить различия между этими моделями. Но теперь, когда техника установлена, мы могли бы просто сделать некоторые успехи.
И вам придется извинить очень очевидный заключительный удар здесь, но, надеюсь, скоро мы сможем пролить свет на ситуацию.
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин "Спроси космонавта" и "Космическое радио,"и автор"Ваше место во Вселенной."
