Na wypadek, gdybyś nie zdawał sobie z tego sprawy, fotony to maleńkie drobinki światła. W rzeczywistości są to najmniejsze możliwe światło. Po włączeniu lampy gigantyczna liczba fotonów wyskakuje z żarówki i uderza w oczy, gdzie są absorbowane przez siatkówkę i przekształcane w sygnał elektryczny, dzięki czemu można zobaczyć, co robisz.
Możesz więc sobie wyobrazić, ile fotonów cię otacza w tym samym czasie. Nie tylko światła w pokoju, ale także fotony wpadające przez okno ze słońca. Nawet twoje własne ciało generuje fotony, ale do samego końca w podczerwieni, więc potrzebujesz gogli noktowizyjnych, aby je zobaczyć. Ale wciąż tam są.
I oczywiście wszystkie fale radiowe i promieniowanie ultrafioletowe oraz wszystkie inne promienie nieustannie bombardują ciebie i wszystko inne nieskończonym strumieniem fotonów.
Wszędzie są fotony.
Te małe paczki światła nie powinny ze sobą oddziaływać, w zasadzie nie mają „świadomości”, że inni nawet istnieją. Prawa fizyki są takie, że jeden foton przechodzi obok drugiego z zerową interakcją.
Tak przynajmniej myśleli fizycy. Ale w nowym eksperymencie w najpotężniejszym na świecie urządzeniu do niszczenia atomów badacze dostrzegli niemożliwe: fotony wpadające na siebie. Haczyk? Te fotony były trochę poza ich grą, co oznacza, że nie zachowywały się jak one, a zamiast tego tymczasowo stały się „wirtualne”. Badając te niezwykle rzadkie interakcje, fizycy mają nadzieję odkryć niektóre podstawowe właściwości światła, a być może nawet odkryć nową fizykę wysokich energii, jak na przykład wielkie zunifikowane teorie i (być może) supersymetria.
Lekki dotyk
Zazwyczaj dobrą rzeczą jest to, że fotony nie wchodzą ze sobą w interakcje lub nie odbijają się od siebie, ponieważ byłby to totalny wariat, w którym fotony nigdy nie zmierzałyby w żadnej linii prostej. Na szczęście dwa fotony po prostu prześlizgną się obok siebie, jakby drugi nawet nie istniał.
To znaczy przez większość czasu.
W eksperymentach wysokoenergetycznych możemy (przy dużej ilości smaru łokciowego) uzyskać dwa fotony, które się ze sobą uderzą, choć zdarza się to bardzo rzadko. Fizycy są zainteresowani tego rodzaju procesem, ponieważ ujawnia on bardzo głębokie właściwości samej natury światła i może pomóc odkryć nieoczekiwaną fizykę.
Fotony tak rzadko wchodzą ze sobą w interakcje, ponieważ łączą się tylko z cząsteczkami, które mają ładunki elektryczne. To tylko jedna z tych zasad wszechświata, zgodnie z którymi musimy żyć. Ale jeśli taka jest reguła wszechświata, to jak moglibyśmy uzyskać dwa fotony, które nie mają ładunku, aby się ze sobą połączyć?
Gdy foton nie jest
Odpowiedź leży w jednym z najbardziej nieodgadnionych, a jednocześnie pysznych aspektów współczesnej fizyki, i nosi nazwę funky elektrodynamiki kwantowej.
Na tym zdjęciu świata subatomowego foton niekoniecznie jest fotonem. Przynajmniej nie zawsze jest to foton. Cząsteczki takie jak elektrony i fotony oraz wszystkie inne -ony nieustannie obracają się w przód iw tył, zmieniając tożsamość podczas podróży. Na początku wydaje się to mylące: Jak, powiedzmy, wiązka światła może być czymkolwiek innym niż wiązka światła?
Aby zrozumieć to zwariowane zachowanie, musimy nieco poszerzyć naszą świadomość (pożyczyć wyraz).
W przypadku fotonów, które podróżują, co jakiś czas (i należy pamiętać, że jest to niezwykle, niezwykle rzadkie), można zmienić zdanie. I zamiast być tylko fotonem, może stać się parą cząstek, ujemnie naładowanym elektronem i dodatnio naładowanym pozytonem (partner antymaterii elektronu), które podróżują razem.
Mrugnij, a spudłujesz, ponieważ pozyton i elektron się odnajdą, a jak to się dzieje, gdy materia i antymateria się spotykają, niszczą, kupują. Dziwna para zamieni się z powrotem w foton.
Z różnych powodów, które są zbyt skomplikowane, aby się w to teraz dostać, gdy tak się dzieje, pary te nazywane są cząstkami wirtualnymi. Wystarczy powiedzieć, że prawie we wszystkich przypadkach nigdy nie wchodzisz w interakcje z wirtualnymi cząsteczkami (w tym przypadku z pozytonem i elektronem) i tylko rozmawiasz z fotonem.
Ale nie w każdym przypadku.
Światło w ciemności
W serii eksperymentów prowadzonych przez współpracę ATLAS w dużym zderzaczu hadronów pod francusko-szwajcarską granicą, a ostatnio przesłanych do internetowego dziennika przedrukowego arXiv, zespół spędził zbyt dużo czasu, zatrzaskując jądra ołowiu prawie z prędkością światła. . Jednak tak naprawdę nie pozwoliły sobie na uderzenie ołowiu; zamiast tego bity były bardzo, bardzo, bardzo, bardzo blisko.
W ten sposób, zamiast zmagać się z gigantycznym bałaganem kolizji, w tym dużą ilością dodatkowych cząstek, sił i energii, atomy ołowiu po prostu oddziaływały za pomocą siły elektromagnetycznej. Innymi słowy, właśnie wymienili całą masę fotonów.
I co jakiś czas - niezwykle, niewiarygodnie rzadko - jeden z tych fotonów na chwilę zamieniał się w parę złożoną z pozytonu i elektronu; wtedy inny foton zobaczyłby jeden z tych pozytonów lub elektronów i z nim porozmawiał. Wystąpiłaby interakcja.
Teraz, podczas tej interakcji, foton po prostu uderza w elektron lub pozyton i idzie na swój wesoły sposób bez żadnej szkody. W końcu pozyton lub elektron znajduje swojego partnera i powraca do bycia fotonem, więc wynikiem zderzenia dwóch fotonów są tylko dwa odbite od siebie fotony. Ale to, że w ogóle mogli ze sobą rozmawiać, jest niezwykłe.
Jak niezwykłe? Cóż, po bilionach po bilionach kolizji zespół wykrył w sumie 59 potencjalnych skrzyżowań. Tylko 59.
Ale co te 59 interakcji mówi nam o wszechświecie? Po pierwsze, potwierdzają to zdjęcie, że foton nie zawsze jest fotonem.
I zagłębiając się w kwantową naturę tych cząstek, moglibyśmy nauczyć się nowej fizyki. Na przykład w niektórych fantazyjnych modelach, które przekraczają granice znanej fizyki cząstek, te interakcje fotonowe zachodzą w nieco różnych prędkościach, potencjalnie dając nam sposób na badanie i testowanie tych modeli. W tej chwili nie mamy wystarczających danych, aby odróżnić którykolwiek z tych modeli. Ale teraz, gdy technika została ustalona, możemy po prostu poczynić postępy.
Będziesz musiał tutaj usprawiedliwić bardzo oczywiste słowo zamykające, ale miejmy nadzieję, że wkrótce możemy rzucić nieco światła na sytuację.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem "Zapytaj kosmonautę" i "Radio kosmiczne,„i autor”Twoje miejsce we wszechświecie."
