Якщо ви цього не усвідомлювали, фотони - це крихітні маленькі шматочки світла. Насправді вони є найменшим можливим світлом. Коли ви вмикаєте лампу, з цієї лампочки випливає гігантська кількість фотонів і ляскає вам в очі, де вони поглинаються вашою сітківкою і перетворюються на електричний сигнал, щоб ви могли бачити, що ви робите.
Отже, ви можете собі уявити, скільки фотонів оточує вас за один раз. Не тільки від вогнів у вашій кімнаті, але й фотони також протікають через вікно від сонця. Навіть ваше власне тіло генерує фотони, але весь час знижується інфрачервона енергія, тому вам потрібні окуляри нічного бачення, щоб побачити їх. Але вони все ще є.
І, звичайно, всі радіохвилі та ультрафіолетові промені та всі інші промені постійно бомбардують вас і все інше нескінченним потоком фотонів.
Це фотони скрізь.
Ці маленькі пакетики світла не повинні взаємодіяти один з одним, фактично не маючи «усвідомлення» того, що інші навіть існують. Закони фізики такі, що один фотон просто проходить повз іншого з нульовою взаємодією.
Так, принаймні, думали фізики. Але в новому експерименті всередині найпотужнішого в світі атомного розтрощувача дослідники побачили неможливе: фотони стикаються один з одним. Улов? Ці фотони були трохи відіграні від гри, тобто вони не діяли як самі, а натомість тимчасово стали "віртуальними". Вивчаючи ці надто рідкісні взаємодії, фізики сподіваються виявити деякі основні властивості світла і, можливо, навіть відкрити нові фізики високих енергій, як грандіозні уніфіковані теорії та (можливо) суперсиметрію.
Легкий дотик
Зазвичай, добре, що фотони не взаємодіють один з одним або не відскакують один від одного, тому що це був би тотальний божевільний будинок з фотонами, які ніколи не збираються нікуди по будь-якій прямій лінії. Тож, на щастя, два фотони будуть просто ковзати один одному, як ніби іншого навіть не існувало.
Тобто більшу частину часу.
У високоенергетичних експериментах ми можемо (з великою кількістю ліктьових жирів) отримати два фотони для удару один про одного, хоча це трапляється дуже рідко. Фізики зацікавлені в такому процесі, оскільки він виявляє деякі дуже глибокі властивості самої природи світла і може допомогти розкрити деяку несподівану фізику.
Фотони настільки рідко взаємодіють один з одним, оскільки з'єднуються лише з частинками, які мають електричні заряди. Це просто одне з тих правил Всесвіту, яким ми маємо жити. Але якщо це правило Всесвіту, то як ми могли коли-небудь отримати два фотони, які не мають заряду, з'єднуватися один з одним?
Коли фотон не є
Відповідь полягає в одному з найбільш непереборних і в той же час вишуканих аспектів сучасної фізики, і це іде за прикольною назвою квантової електродинаміки.
У цій картині субатомного світу фотон не обов'язково є фотоном. Ну, принаймні, це не завжди фотон. Частинки, як електрони та фотони, і всі інші -они постійно перевертаються туди-сюди, змінюючи ідентичність під час подорожі. Спочатку здається заплутаним: як, скажімо, промінь світла може бути чимось іншим, ніж промінь світла?
Щоб зрозуміти цю нерозумну поведінку, нам потрібно трохи розширити свою свідомість (запозичити вираз).
Що стосується фотонів, коли вони подорожують, раз у раз (і майте на увазі, що це надзвичайно, надзвичайно рідко), можна змінити свою думку. І замість того, щоб бути лише фотоном, він може стати парою частинок, негативно зарядженим електроном і позитивно зарядженим позиттроном (партнером антиматерії електрона), які рухаються разом.
Мигніть, і ви пропустите це, тому що позитрон і електрон знайдуть один одного, і, як це відбувається, коли матерія та антиматія зустрічаються, вони знищуються, обманюються. Непарна пара перетвориться назад у фотон.
З різних причин, які є надто складними, щоб потрапити зараз, коли це відбувається, ці пари називаються віртуальними частинками. Досить сказати, що майже у всіх випадках ти ніколи не потрапляєш у взаємодію з віртуальними частинками (в даному випадку позитроном і електроном), і ти лише коли-небудь можеш поговорити з фотоном.
Але не у кожному випадку.
Світло в темряві
У серії експериментів, проведених за допомогою співпраці ATLAS на Великому адронному колайдері під французько-швейцарським кордоном і нещодавно представленому в Інтернет-журналі переддруку arXiv, команда витрачала занадто багато часу, забиваючи свинцеві ядра одна з одною майже зі швидкістю світла . Однак вони насправді не дозволили свинцевим частинкам вдарити один про одного; натомість біти просто прийшли дуже, дуже, дуже, дуже близько.
Таким чином, замість того, щоб мати справу з гігантським безладом зіткнення, включаючи безліч зайвих частинок, сил і енергій, атоми свинцю просто взаємоділи через електромагнітну силу. Іншими словами, вони просто обмінялися цілою партією фотонів.
І раз у раз - вкрай, неймовірно рідко - один із цих фотонів ненадовго перетвориться на пару, що складається з позитрона та електрона; тоді ще один фотон побачить один із цих позитронів чи електронів і поговорить з ним. Була б взаємодія.
Тепер, у цій взаємодії, фотон просто натрапляє на електрон або на позитрон і відходить на своєму веселому шляху без будь-якої шкоди. Врешті-решт, цей позитрон або електрон виявляє свою половинку і повертається до фотону, тож результат двох фотонів, що вражають один одного, - це лише два фотони, що відскакують один від одного. Але те, що вони взагалі змогли поговорити один з одним, примітно.
Як примітно? Ну а після трильйонів на трильйони зіткнень команда виявила загальну кількість 59 потенційних перехресть. Всього 59.
Але що ці 59 взаємодій говорять нам про всесвіт? Для одного вони підтверджують цю картину, що фотон не завжди є фотоном.
І, заглибившись у саму квантову природу цих частинок, ми могли б вивчити нову фізику. Наприклад, у деяких фантазійних моделях, що розсувають межі відомої фізики частинок, ці фотонні взаємодії відбуваються з дещо різними темпами, що потенційно дає нам можливість вивчити та протестувати ці моделі. Зараз ми не маємо достатньо даних, щоб визначити відмінності серед будь-якої з цих моделей. Але тепер, коли техніка налагоджена, ми можемо просто зробити деякий прогрес.
І вам доведеться вибачити тут дуже очевидний закриваючий каламбур, але, сподіваємось, незабаром ми зможемо пролити трохи світла на ситуацію.
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар "Запитайте космонавта" і "Космічне радіо,"та автор"Ваше місце у Всесвіті."
