În caz că nu ți-ai dat seama, fotonii sunt mici bucăți de lumină. De fapt, sunt cel mai mic pic de lumină posibil. Când porniți o lampă, un număr gigantic de fotoni izvorăște din acest bec și vă trântesc în ochi, unde sunt absorbiți de retina dvs. și transformați într-un semnal electric pentru a putea vedea ce faceți.
Deci, vă puteți imagina cât de mulți fotoni vă înconjoară simultan. Nu doar de la luminile din camera dvs., dar fotoni curg și prin fereastră de la soare. Chiar și propriul corp generează fotoni, dar până la capăt în energiile infraroșii, așa că ai nevoie de ochelari de vedere pentru a le vedea. Dar sunt tot acolo.
Și, desigur, toate undele radio și razele ultraviolete și toate celelalte raze te bombardează în permanență cu toate celelalte cu un flux nesfârșit de fotoni.
Este fotoni peste tot.
Aceste mici pachete de lumină nu trebuie să interacționeze între ele, neexistând în esență „conștientizarea” că există și celelalte. Legile fizicii sunt astfel încât un foton trece doar de altul cu interacțiune zero.
Asta credeau fizicienii, cel puțin. Însă, într-un nou experiment în cel mai puternic distrugător de atomi din lume, cercetătorii au observat imposibilul: fotonii se zbăteau unul în celălalt. Captura? Acești fotoni erau puțin în afara jocului lor, ceea ce înseamnă că nu acționau ca ei înșiși și deveniseră temporar „virtuali”. Studiind aceste interacțiuni super-rare, fizicienii speră să dezvăluie unele dintre proprietățile fundamentale ale luminii și, eventual, chiar să descopere noi fizici cu energie înaltă, cum ar fi teoriile unificate grandioase și (poate) supersimetria.
O atingere ușoară
De obicei, este un lucru bun ca fotonii să nu interacționeze între ei și să nu se dea peste cap, deoarece acesta ar fi o casă nebună cu fotoni care nu merg niciodată nicăieri în niciun fel de linie dreaptă. Deci, din fericire, doi fotoni se vor strecura pur și simplu unul de altul ca și cum celălalt nici măcar nu ar exista.
Adică de cele mai multe ori.
În experimentele cu energie mare, putem (cu multă unsoare de cot) să obținem doi fotoni să se lovească unul de altul, deși acest lucru se întâmplă foarte rar. Fizicienii sunt interesați de acest tip de proces, deoarece dezvăluie unele proprietăți foarte profunde ale naturii luminii în sine și ar putea ajuta la descoperirea unor fizici neașteptate.
Fotonii interacționează atât de rar între ei, deoarece se conectează numai cu particule care au sarcini electrice. Este doar una dintre acele reguli ale universului prin care trebuie să trăim. Dar dacă aceasta este regula universului, atunci cum am putea vreodată să obținem doi fotoni, care nu au nicio taxă, să se conecteze între ei?
Când un foton nu este
Răspunsul constă într-unul dintre cele mai inestetabile și totuși delicioase aspecte ale fizicii moderne și merge după numele funky de electrodinamică cuantică.
În această imagine a lumii subatomice fotonul nu este neapărat un foton. Ei bine, cel puțin, nu este întotdeauna un foton. Particule precum electronii și fotonii și toate celelalte-se întorc continuu înainte și înapoi, schimbând identitățile în timp ce călătoresc. Pare la început confuz: Cum ar putea, să zicem, un fascicul de lumină să fie altceva decât un fascicul de lumină?
Pentru a înțelege acest comportament neplăcut, trebuie să ne extindem puțin conștiința (să împrumutăm o expresie).
În cazul fotonilor, pe măsură ce călătoresc, din când în când (și rețineți că acest lucru este extrem de rar), se poate schimba părerea. Și în loc să fie doar un foton, acesta poate deveni o pereche de particule, un electron încărcat negativ și un pozitron încărcat pozitiv (partenerul antimaterie al electronului), care călătoresc împreună.
Clipește și îți va fi dor de el, pentru că pozitronul și electronul se vor găsi reciproc și, așa cum se întâmplă atunci când materia și antimateria se întâlnesc, ele se anihilează. Perechea ciudată se va transforma din nou într-un foton.
Din diverse motive care sunt prea complicate pentru a intra chiar acum, când se întâmplă acest lucru, aceste perechi se numesc particule virtuale. Este suficient să spui că în aproape toate cazurile nu ajungi să interacționezi niciodată cu particulele virtuale (în acest caz, pozitronul și electronul) și nu vei ajunge decât să vorbești cu fotonul.
Dar nu în orice caz.
O lumină în întuneric
Într-o serie de experimente desfășurate de colaborarea ATLAS la Colibrul de Hadroni de sub granița franceză-elvețiană și trimis recent la jurnalul de presă online arXiv, echipa și-a petrecut mult timp trântindu-și nucleele de plumb unul în celălalt la aproape viteza luminii. . Cu toate acestea, nu au lăsat de fapt particulele de plumb să se lovească reciproc; în schimb, biții au ajuns foarte, foarte, foarte, foarte aproape.
În acest fel, în loc să aibă de-a face cu o mizerie gigantică a unei coliziuni, incluzând o mulțime de particule, forțe și energii suplimentare, atomii de plumb au interacționat doar prin forța electromagnetică. Cu alte cuvinte, au schimbat doar o mulțime de fotoni.
Și din când în când - extrem de incredibil de rar - unul dintre acești fotoni s-ar transforma pe scurt într-o pereche compusă dintr-un pozitron și un electron; apoi, un alt foton ar vedea unul dintre acei pozitroni sau electroni și ar vorbi cu el. Ar avea loc o interacțiune.
Acum, în această interacțiune, fotonul este doar un fel de denivelări în electron sau în pozitron și pleacă pe drumul său fericit, fără niciun rău. În cele din urmă, acel pozitron sau electron își găsește perechea și se întoarce la a fi un foton, astfel încât rezultatul a doi fotoni care se lovesc unul de celălalt este doar doi fotoni care se răsfrâng reciproc. Dar faptul că au fost capabili să vorbească între ei este remarcabil.
Cât de remarcabil? Ei bine, după trilioane de trilioane de coliziuni, echipa a detectat un număr mare de 59 de intersecții potențiale. Doar 59.
Dar ce ne spun acele 59 de interacțiuni despre univers? Pentru unul, ei validează această imagine că un foton nu este întotdeauna un foton.
Și săpând în natura foarte cuantică a acestor particule, am putea învăța ceva fizică nouă. De exemplu, în unele modele fanteziste care împing granițele fizicii de particule cunoscute, aceste interacțiuni fotonice apar la viteze ușor diferite, oferindu-ne un mod de explorare și testare a acestor modele. Momentan nu avem suficiente date pentru a spune diferențele dintre niciunul dintre aceste modele. Dar acum că tehnica este stabilită, s-ar putea să facem un pas înainte.
Și va trebui să scuzați punctul de închidere foarte evident aici, dar sperăm că în curând, putem arunca o lumină asupra situației.
Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda "Întrebați un Spaceman" și "Radio spațiu,„și autorul„Locul tău în Univers."
