Če tega niste zavedali, so fotoni drobni delčki svetlobe. V resnici so najmanjši delček svetlobe. Ko vklopite svetilko, se iz te žarnice razlegajo velikanski številki fotonov, kjer jih absorbira vaša mrežnica in se spremenijo v električni signal, tako da vidite, kaj počnete.
Lahko si torej predstavljate, koliko fotonov vas obkroži naenkrat. Ne samo iz luči v vaši sobi, ampak fotoni tudi skozi sonce tečejo skozi okno. Celo vaše lastno telo ustvarja fotone, vendar vse do infrardeče energije, zato potrebujete zaščitna očala za nočni vid. Vendar so še vedno tam.
In seveda, vsi radijski valovi in ultravijolični žarki in vsi drugi žarki nenehno bombardirajo vas in vse ostalo z neskončnim tokom fotonov.
Povsod so fotoni.
Ti majhni zavojčki svetlobe naj ne bi medsebojno vplivali, v bistvu nimajo "zavedanja", da drugi sploh obstajajo. Zakoni fizike so takšni, da en foton samo preide mimo drugega z ničelno interakcijo.
Tako so vsaj mislili fiziki. Toda v novem poskusu znotraj najmočnejšega drobilca atomov na svetu so raziskovalci spoznali nemogoče: fotoni se spopadajo drug z drugim. Ulov? Ti fotoni so bili nekoliko zunaj njihove igre, kar pomeni, da se ne obnašajo kot sami in so začasno postali "virtualni". Fiziki s študijem teh zelo redkih interakcij upajo, da bodo razkrili nekatere temeljne lastnosti svetlobe in morda celo odkrili novo visokoenergijsko fiziko, kot so velike poenotene teorije in (morda) super-simetrija.
Lahkoten dotik
Običajno je dobro, da fotoni medsebojno ne komunicirajo ali se odbijajo drug od drugega, ker bi to bilo popolno norišče s fotoni, ki nikoli ne bi šli nikamor po katerikoli ravni liniji. K sreči bosta dva fotona preprosto zdrsnila drug drugega, kot da drugega sploh ne bi bilo.
Se pravi, večino časa.
V visokoenergetskih poskusih lahko (z veliko maščobe komolcev) dobimo dva fotona, da udarimo med seboj, čeprav se to zgodi zelo redko. Fiziki so zainteresirani za tovrsten postopek, ker razkriva nekatere zelo globoke lastnosti same narave svetlobe in bi lahko pomagal razkriti nekaj nepričakovane fizike.
Fotoni se tako redko med seboj povežejo, ker se povezujejo le z delci, ki imajo električni naboj. To je samo eno izmed pravil vesolja, ki ga moramo živeti. Če pa je to pravilo vesolja, kako bi sploh lahko dobili dva fotona, ki nimata naboja, da se povezujeta med seboj?
Ko fotona ni
Odgovor se skriva v enem najbolj neupravičenih in hkrati okusnih vidikov sodobne fizike, poleg tega pa gre po zavidljivem imenu kvantne elektrodinamike.
Na tej sliki subatomskega sveta foton ni nujno foton. No, vsaj ni vedno foton. Delci, kot so elektroni in fotoni, in vsi drugi -oni se neprestano vrtijo naprej in nazaj, spreminjajoč identiteto med potovanjem. Na začetku se zdi zmedeno: Kako bi lahko recimo žarek svetlobe kaj drugega kot snop svetlobe?
Da bi razumeli to čudaško vedenje, moramo nekoliko razširiti svojo zavest (izposoditi si izraz).
V primeru fotonov, ko potujejo, se vsakič (in ne pozabite, da je to izjemno, izjemno redko), lahko človek premisli. In namesto, da bi bil le foton, lahko postane par delcev, negativno nabit elektron in pozitivno nabit pozitron (partner antimaterije elektrona), ki potujeta skupaj.
Utripite in pogrešali boste, ker se bosta pozitrona in elektrona znašla med seboj, in ko se zadeva in antimaterija srečata, se uničujeta, obujeta. Nenavaden par se bo spremenil nazaj v foton.
Zaradi različnih razlogov, ki so preveč zapleteni, da bi se lahko takoj, ko se to zgodi, ti pari imenujejo virtualni delci. Dovolj je reči, da skoraj v vseh primerih nikoli ne pridete v interakcijo z virtualnimi delci (v tem primeru pozitrona in elektrona) in se kdaj samo pogovorite s fotonom.
Ampak ne v vsakem primeru.
Luč v temi
V nizu eksperimentov, ki so jih izvedli s sodelovanjem ATLAS na Velikem hadronskem trkalniku pod francosko-švicarsko mejo in so pred kratkim predložili v spletno revijo za tisk arXiv, je ekipa porabila preveč časa, da bi s skoraj hitrostjo svetlobe zalučala svinčena jedra drug v drugega. . Vendar svinčenih delcev pravzaprav niso pustili, da se med seboj udarijo; namesto tega so se biti ravno prišli zelo, zelo, zelo, zelo blizu.
Tako so se svinčeni atomi, namesto da bi se spopadli z velikanskim neredom trka, vključno z veliko dodatnimi delci, silami in energijami, medsebojno vplivali prek elektromagnetne sile. Z drugimi besedami, le zamenjali so cel kup fotonov.
In vsake toliko časa - izjemno, neverjetno redko - bi se kateri od teh fotonov za kratek čas spremenil v par, sestavljen iz pozitrona in elektrona; potem bi drugi foton videl enega od teh pozitronov ali elektronov in govoril z njim. Prišlo bi do interakcije.
Zdaj se v tej interakciji foton samo naleti na elektron ali v pozitron in se brez škode odpravi na svoj vesel način. Nazadnje pozitron ali elektron najde svojega para in se vrne k fotonu, tako da sta rezultat dveh fotonov, ki se udarita med seboj, le dva fotona, ki se odbijata drug od drugega. Toda to, da sta se sploh lahko pogovarjala, je izjemno.
Kako izjemen? No, po trilijonih na trilijone trkov je ekipa odkrila skupno 59 možnih križišč. Samo 59.
Toda kaj nam povedo 59 teh interakcij o vesolju? Za prvo to sliko potrdijo, da foton ni vedno foton.
In s kopanjem v zelo kvantno naravo teh delcev bi se lahko naučili nekaj nove fizike. Na primer, v nekaterih čudovitih modelih, ki potiskajo meje znane fizike delcev, se ti fotonski posegi dogajajo z nekoliko različnimi hitrostmi, kar nam lahko daje način raziskovanja in testiranja teh modelov. Trenutno nimamo dovolj podatkov, da bi lahko ugotovili razlike med katerim od teh modelov. Toda zdaj, ko je tehnika uveljavljena, bomo morda le malo napredovali.
Tu boste morali oprostiti zelo očiten zaključek, toda upamo, da bomo kmalu lahko osvetlili situacijo.
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj "Vprašajte vesoljca" in "Vesoljski radio,"in avtor"Vaše mesto v vesolju."
