Gadījumā, ja jūs to neapzinātos, fotoni ir niecīgi, mazi gaismas biti. Patiesībā tie ir mazākais iespējamais gaismas gabals. Ieslēdzot lampu, no šīs spuldzes atskan gigantisks skaits fotonu un iesit acīs, kur tos absorbē tīklene un pārvērš par elektrisko signālu, lai jūs varētu redzēt, ko jūs darāt.
Tātad, jūs varat iedomāties, cik daudz fotonu vienlaikus ieskauj jūs. Ne tikai no jūsu istabā esošajām gaismām, bet no saules stariem caur logu ieplūst arī fotoni. Pat jūsu ķermenis rada fotonus, bet infrasarkanajās enerģijās līdz galam, tāpēc, lai tos redzētu, jums ir vajadzīgas nakts redzamības aizsargbrilles. Bet viņi joprojām ir tur.
Un, protams, visi radioviļņi un ultravioletie stari un visi pārējie stari pastāvīgi bombardē jūs un visu pārējo ar nebeidzamu fotonu straumi.
Tas ir fotoni visur.
Nav paredzēts, ka šīs mazās gaismas paciņas mijiedarbosies viena ar otru, būtībā tām nav "apzināšanās", ka pārējie pat eksistē. Fizikas likumi ir tādi, ka viens fotons vienkārši iet garām otram ar nulles mijiedarbību.
Vismaz tā domāja fiziķi. Bet jaunā eksperimentā pasaules visspēcīgākajā atomu iznīcinātājā iekšpusē pētnieki guva ieskatu neiespējamajā: fotoni sabrūk viens otram. Nozveja? Šie fotoni nedaudz atšķīrās no spēles, kas nozīmē, ka viņi nerīkojās kā paši, tā vietā uz laiku bija kļuvuši “virtuāli”. Izpētot šīs super reti sastopamās mijiedarbības, fiziķi cer atklāt dažas gaismas pamatīpašības un, iespējams, pat atklāt jaunu augstas enerģijas fiziku, piemēram, grandiozas vienotas teorijas un (varbūt) supersimetriju.
Viegls pieskāriens
Parasti tas ir labi, ka fotoni savstarpēji nesaskaras vai nenovirzās viens no otra, jo tā būtu pilnīga trauku māja ar fotoniem, kas nekur nekur neiet no jebkādas taisnas līnijas. Tātad, par laimi, divi fotoni vienkārši slīdēs viens pie otra, it kā otrs pat nepastāvētu.
Tas ir, lielāko daļu laika.
Eksperimentos ar lielu enerģijas patēriņu mēs varam (ar lielu elkoņa smērvielu) iegūt divus fotonus, lai tie savstarpēji sasittu, lai gan tas notiek ļoti reti. Fiziķi ir ieinteresēti šāda veida procesā, jo tas atklāj dažas ļoti dziļas pašas gaismas rakstura īpašības un varētu palīdzēt atklāt kādu negaidītu fiziku.
Fotoni tik reti mijiedarbojas viens ar otru, jo tie savienojas tikai ar daļiņām, kurām ir elektriski lādiņi. Tas ir tikai viens no tiem Visuma noteikumiem, ar kuru mums jādzīvo. Bet, ja tas ir Visuma noteikums, tad kā gan mēs kādreiz varētu iegūt divus fotonus, kuriem nav lādiņa, lai tie savienotos viens ar otru?
Kad fotona nav
Atbilde slēpjas vienā no neapšaubāmākajiem un tomēr garšīgākajiem mūsdienu fizikas aspektiem, un tā ietiecas ar kvantu elektrodinamikas funky nosaukumu.
Šajā subatomiskās pasaules attēlā fotonam nav obligāti jābūt fotonam. Vismaz, tas ne vienmēr ir fotons. Daļiņas, piemēram, elektroni un fotoni, un visi pārējie -oni nepārtraukti slīd uz priekšu un atpakaļ, ceļojot mainot identitāti. Sākumā tas šķiet mulsinoši: kā, teiksim, gaismas stars var būt kaut kas cits kā gaismas stars?
Lai saprastu šo trakulīgo izturēšanos, mums nedaudz jāpaplašina mūsu apziņa (lai aizņemtos izteiksmi).
Ja fotoni pārvietojas ik pa laikam (un paturiet prātā, ka tas ir ārkārtīgi, ļoti reti), tas var mainīt savu viedokli. Un tā vietā, lai būtu tikai fotons, tas var kļūt par daļiņu pāri, negatīvi lādētu elektronu un pozitīvi lādētu pozitronu (elektrona antimērija partneri), kas ceļo kopā.
Mirkšķiniet, un jums tas pietrūks, jo pozitrons un elektrons atradīs viens otru, un, kā notiek, kad matērija un antimateriāls satiekas, viņi iznīcina, mākoņi. Nepāra pāris pārvērtīsies par fotonu.
Dažādu iemeslu dēļ, kas ir pārāk sarežģīti, lai tūlīt iekļūtu, kad tas notiek, šos pārus sauc par virtuālajām daļiņām. Pietiek pateikt, ka gandrīz visos gadījumos jūs nekad nespējat mijiedarboties ar virtuālajām daļiņām (šajā gadījumā ar pozitronu un elektronu), un jūs tikai kādreiz sākat sarunāties ar fotonu.
Bet ne katrā gadījumā.
Gaisma tumsā
Eksperimentu sērijā, ko veica ATLAS sadarbība lielajā hadronu sadursmē zem Francijas un Šveices robežas un kas nesen tika iesniegts tiešsaistes pirmsdrukas žurnālā arXiv, komanda pavadīja pārāk daudz laika, satriecot svina kodolus savā starpā gandrīz gaismas ātrumā. . Tomēr viņi faktiski neļāva svina daļiņām sastapties savā starpā; tā vietā biti vienkārši nāca ļoti, ļoti, ļoti, ļoti tuvu.
Tādā veidā svina atomiem, tā vietā, lai būtu jārisina sadursmes ar gigantisku putru, ieskaitot daudz papildu daļiņas, spēkus un enerģiju, svina atomi vienkārši mijiedarbojās ar elektromagnētiskā spēka palīdzību. Citiem vārdiem sakot, viņi vienkārši apmainījās ar lielu daudzumu fotonu.
Un ik pa laikam - ārkārtīgi, neticami reti - kāds no šiem fotoniem īslaicīgi pārvēršas pārī, kas sastāv no pozitrona un elektrona; tad cits fotons redzētu kādu no šiem pozitroniem vai elektroniem un runātu ar to. Varētu notikt mijiedarbība.
Tagad šajā mijiedarbībā fotons tikai iekrīt vai nu elektronā, vai pozitronā, un bez jebkāda kaitējuma novirzās savā jautrajā ceļā. Galu galā šis pozitrons vai elektrons atrod savu mate un atgriežas pie fotona, tāpēc divu fotonu, kas sit viens pret otru, rezultāts ir tikai divi fotoni, kas atlec viens no otra. Bet tas, ka viņi vispār spēja sarunāties savā starpā, ir ievērojams.
Cik ievērojams? Pēc triljoniem sadursmju triljoniem komanda kopumā atklāja 59 iespējamos krustojumus. Tikai 59.
Bet ko šīs 59 mijiedarbības stāsta par Visumu? Pirmkārt, viņi apstiprina šo attēlu, ka fotons ne vienmēr ir fotons.
Izpētot šo daļiņu ļoti kvantu raksturu, mēs varētu iemācīties jaunu fiziku. Piemēram, dažos izdomātos modeļos, kas virzās uz zināmo daļiņu fizikas robežu, šī fotonu mijiedarbība notiek ar nedaudz atšķirīgiem ātrumiem, potenciāli dodot mums iespēju izpētīt un pārbaudīt šos modeļus. Pašlaik mums nav pietiekami daudz datu, lai pastāstītu par atšķirībām starp kādu no šiem modeļiem. Bet tagad, kad tehnika ir iedibināta, mēs, iespējams, tikai progresējam.
Un jums nāksies attaisnot ļoti acīmredzamo noslēdzošo pun, bet, cerams, ka drīz mēs varēsim parādīt situāciju.
Pols M. Sutters ir astrofiziķis plkst Ohaio štata universitāte, “Jautājiet kosmosa darbiniekam" un "Kosmosa radio,"un grāmatas" autorsTava vieta Visumā."
