V prípade, že ste si to neuvedomili, sú fotóny malé kúsky svetla. V skutočnosti sú to najmenšie možné svetlo. Keď zapnete lampu, z tejto žiarovky pritiahne obrovské množstvo fotónov a zasiahne vás do očí, kde ich absorbuje sietnica a zmení sa na elektrický signál, aby ste videli, čo robíte.
Môžete si teda predstaviť, koľko fotónov vás obklopuje naraz. Nielen zo svetiel vo vašej izbe, ale z okna slnka prúdi aj fotón. Dokonca aj vaše vlastné telo generuje fotóny, ale celú dobu v infračervených energiách, takže na ich zobrazenie potrebujete ochranné okuliare pre nočné videnie. Ale stále sú tam.
A samozrejme všetky rádiové vlny, ultrafialové lúče a všetky ostatné lúče neustále bombardujú vás a všetko ostatné nekonečným prúdom fotónov.
Sú to fotóny všade.
Tieto malé balíčky svetla by nemali navzájom interagovať, v podstate nemajú žiadne „vedomie“, že ostatní dokonca existujú. Fyzikálne zákony sú také, že jeden fotón práve prechádza druhým s nulovou interakciou.
To je to, čo si fyzici mysleli. Ale v novom experimente v najsilnejšom atómovom fajčiari na svete dostali vedci pohľad na nemožné: fotóny narážali do seba. Úlovok? Tieto fotóny boli trochu mimo hry, čo znamená, že sa nekonali ako oni a namiesto toho sa dočasne stali „virtuálnymi“. Štúdiom týchto mimoriadne zriedkavých interakcií fyzici dúfajú, že odhalia niektoré zo základných vlastností svetla a možno dokonca objavia novú vysokoenergetickú fyziku, ako sú veľké unifikované teórie a (možno) supersymetria.
Ľahký dotyk
Zvyčajne je dobré, že fotóny navzájom neinteragujú alebo sa navzájom neodrážajú, pretože by to bol úplný blázon s fotónmi, ktoré nikdy nikam nevedú v priamej línii. Našťastie dva fotóny jednoducho medzi sebou skĺznu, ako keby ten druhý neexistoval.
To je väčšinou.
Pri vysokoenergetických experimentoch môžeme (s veľkým množstvom lakťového tuku) dostať dva fotóny, aby sa navzájom zasiahli, aj keď sa to stáva veľmi zriedka. Fyzici sa zaujímajú o tento druh procesu, pretože odhaľujú niektoré veľmi hlboké vlastnosti samotnej podstaty svetla a mohli by pomôcť odhaliť niektoré neočakávané fyziky.
Fotóny tak navzájom zriedka interagujú, pretože sa spájajú iba s časticami, ktoré majú elektrické náboje. Je to len jedno z tých pravidiel vesmíru, ktorým musíme žiť. Ak je to však pravidlo vesmíru, ako by sme mohli získať dva fotóny, ktoré sú bez poplatkov, aby sa spojili?
Keď fotón nie je
Odpoveď spočíva v jednom z najviac nevyvrátiteľných a pritom najchutnejších aspektov modernej fyziky a je to podivné meno kvantovej elektrodynamiky.
Na tomto obrázku subatomického sveta nemusí byť fotón nevyhnutne fotónom. Prinajmenšom to nie je vždy fotón. Častice, ako sú elektróny a fotóny a všetky ostatné, sa pri cestovaní neustále otáčajú dozadu a dopredu. Najprv to vyzerá mätúce: Ako by sa dalo povedať, že lúč svetla môže byť iný ako lúč svetla?
Aby sme porozumeli tomuto šialenému správaniu, musíme si trochu rozšíriť vedomie (požičať si výraz).
V prípade fotónov, keď cestujú, každý raz za čas (a majte na pamäti, že je to extrémne, veľmi zriedkavo), je možné zmeniť názor. A namiesto toho, aby sa stal iba fotónom, môže sa stať párom častíc, záporne nabitým elektrónom a pozitívne nabitým pozitrónom (antihmotovým partnerom elektrónu), ktoré spolu cestujú.
Blink a bude ti to chýbať, pretože pozitrón a elektrón sa nájdu navzájom, a ako sa stane, keď sa stretne hmota a antihmota, zničia ich, poof. Nepárny pár sa zmení späť na fotón.
Z rôznych dôvodov, ktoré sú príliš zložité na to, aby sme sa dostali teraz, sa tieto páry nazývajú virtuálne častice. Stačí povedať, že takmer vo všetkých prípadoch nikdy nezačnete interagovať s virtuálnymi časticami (v tomto prípade s pozitrónom a elektrónom) a budete sa s fotónom rozprávať iba niekedy.
Ale nie v každom prípade.
Svetlo v tme
V sérii experimentov uskutočňovaných spoluprácou ATLAS na Large Hadron Collider pod francúzsko-švajčiarskou hranicou a nedávno odoslaných do online predtlačového časopisu arXiv, tím strávil príliš veľa času zabíjaním jadier do seba takmer rýchlosťou svetla. , V skutočnosti však nenechali olovené častice naraziť; namiesto toho sa bity práve dostali veľmi, veľmi, veľmi, veľmi blízko.
Týmto spôsobom, namiesto toho, aby sa museli vysporiadať s obrovským neporiadkom kolízie, vrátane množstva ďalších častíc, síl a energií, atómy olova interagovali iba prostredníctvom elektromagnetickej sily. Inými slovami, vymieňali si iba veľa fotónov.
A raz za čas - extrémne, neuveriteľne zriedka - sa jeden z týchto fotónov nakrátko zmenil na pár zložený z pozitrónu a elektrónu; potom by ďalší fotón videl jeden z tých pozitrónov alebo elektrónov a hovoril by s ním. Došlo by k interakcii.
Teraz, v tejto interakcii, fotón len narazí do elektrónu alebo pozitrónu a rozbehne sa veselo bez akejkoľvek škody. Nakoniec, ten pozitrón alebo elektrón nájde svojho partnera a vráti sa k tomu, že je fotónom, takže výsledkom toho, že sa navzájom zasiahnu dva fotóny, sú len dva fotóny, ktoré sa navzájom odrazia. Ale to, že boli schopní spolu hovoriť spolu, je pozoruhodné.
Aké pozoruhodné? Po biliónoch po biliónoch zrážok tím odhalil celkom 59 potenciálnych križovatiek. Iba 59 rokov.
Čo nám však týchto 59 interakcií hovorí o vesmíre? Napríklad, potvrdzujú tento obrázok, že fotón nie je vždy fotón.
A vykopaním do veľmi kvantovej podstaty týchto častíc sme sa mohli naučiť nejakú novú fyziku. Napríklad v niektorých efektných modeloch, ktoré posúvajú hranice známej fyziky častíc, sa tieto fotónové interakcie vyskytujú mierne odlišnou rýchlosťou, čo nám potenciálne poskytuje spôsob skúmania a testovania týchto modelov. Momentálne nemáme dostatok údajov na rozlíšenie rozdielov medzi niektorým z týchto modelov. Ale teraz, keď je táto technika zavedená, by sme sa mohli len trochu posunúť.
A budete musieť ospravedlniť veľmi očividnú záverečnú slovnú hračku, ale dúfajme, že čoskoro môžeme situáciu trochu objasniť.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Štátna univerzita v Ohiu, hostiteľ „Spýtajte sa Spaceman" a „Vesmírne rádio,„a autor“Vaše miesto vo vesmíre."
