Jos et ymmärtänyt sitä, fotonit ovat pieniä pieniä valoja. Itse asiassa ne ovat pienin mahdollinen valo. Kun kytket lampun päälle, jättiläismäinen määrä fotoneja lähtee siitä polttimosta ja palaa silmiin, missä ne imetään verkkokalvollasi ja muuttuvat sähköiseksi signaaliksi, jotta voit nähdä mitä teet.
Joten voit kuvitella kuinka monta fotonia ympäröi sinua kerralla. Ei vain huoneesi valoista, vaan fotoneja virtaa myös ikkunan läpi auringosta. Jopa oma kehosi tuottaa fotoneja, mutta infrapunaenergioissa alaspäin, joten tarvitset yökuvauslasit nähdäksesi ne. Mutta he ovat edelleen siellä.
Ja tietysti kaikki radioaallot ja ultraviolettisäteet ja kaikki muut säteet pommittavat jatkuvasti sinua ja kaikkea loputtomalla fotonivirralla.
Se on fotoneja kaikkialla.
Näiden pienten valopakettien ei ole tarkoitus olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, eikä niillä ole käytännössä mitään "tietoisuutta" siitä, että muutkin ovat olemassa. Fysiikan lait ovat sellaiset, että yksi fotoni ohittaa vain toisen nollavuorovaikutuksella.
Sitä ainakin fyysikot ajattelivat. Mutta uudessa kokeilussa maailman voimakkaimman atominhaltijan sisällä tutkijat saivat vilkaisun mahdottomasta: fotonit törmäävät toisiinsa. Saalis? Nämä fotonit olivat hiukan pois pelistä, mikä tarkoittaa, että ne eivät käyttäytyneet kuin itseään, vaan sen sijaan niistä tuli väliaikaisesti "virtuaali". Tutkimalla näitä erittäin harvinaisia vuorovaikutuksia, fyysikot toivovat paljastavansa joitakin valon perusominaisuuksista ja mahdollisesti jopa löytävänsä uusia korkean energian fysiikkaa, kuten suuria yhtenäisiä teorioita ja (ehkä) supersymmetriaa.
Kevyt kosketus
Yleensä on hyvä asia, että fotonit eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa tai poistuvat toisistaan, koska se olisi totaalinen hulluhuone fotonien kanssa, jotka eivät koskaan mene mihinkään suorassa linjassa. Joten onneksi kaksi fotonia liukuvat yksinkertaisesti toistensa suhteen ikään kuin toista ei edes ole.
Eli suurimman osan ajasta.
Korkean energian kokeissa voimme saada (paljon kyynärrasvaa) kahdella fotonilla osuakseen toisiinsa, tosin tämä tapahtuu hyvin harvoin. Fyysikot ovat kiinnostuneita tällaisesta prosessista, koska se paljastaa itse valon luonteen joitain hyvin syviä ominaisuuksia ja voisi auttaa paljastamaan jonkin verran odottamatonta fysiikkaa.
Fotonit ovat niin harvoin vuorovaikutuksessa keskenään, koska ne muodostavat yhteyden vain hiukkasiin, joissa on sähkövarauksia. Se on vain yksi niistä maailmankaikkeuden säännöistä, joissa meidän on elää. Mutta jos tämä on maailmankaikkeuden sääntö, niin kuinka voisimme koskaan saada kaksi fotonia, joilla ei ole latausta, yhteydenpitoon toisiinsa?
Kun fotoni ei ole
Vastaus on yksi nykyaikaisen fysiikan kiistattomimmista ja silti herkullisista näkökohdista, ja se kulkee kvantielektrodynamiikan funky-nimellä.
Tässä kuvassa subatomisesta maailmasta fotoni ei ole välttämättä fotoni. No, ainakaan, se ei ole aina fotoni. Hiukkaset, kuten elektronit ja fotonit, ja kaikki muut ionit kääntyvät jatkuvasti edestakaisin muuttaen identiteettejä matkoillaan. Aluksi se näyttää hämmentävältä: Kuinka valonsäde voisi olla esimerkiksi kaikkea muuta kuin valonsäde?
Jotta ymmärrämme tätä outoa käyttäytymistä, meidän on laajennettava tietoisuuttamme hiukan (lainataksesi ilmaus).
Fotonien tapauksessa, kun ne matkustavat joka kerta (ja muista, että tämä on erittäin, erittäin harvinaista), voidaan muuttaa mieltään. Ja sen sijaan, että se olisi vain fotoni, se voi tulla pariksi hiukkasiksi, negatiivisesti varautuneeksi elektroniksi ja positiivisesti varautuneeksi positroniksi (elektronin antimateriapartneriksi), jotka kulkevat yhdessä.
Vilkkuu ja kaipaat sitä, koska positroni ja elektroni löytävät toisensa, ja kuten tapahtuu, kun aine ja antimateria kohtaavat, ne tuhoavat, huono. Pariton pari muuttuu takaisin fotoniksi.
Eri syistä, jotka ovat aivan liian monimutkaisia päästäkseen heti, kun näitä tapahtuu, näitä pareja kutsutaan virtuaalipartikkeleiksi. Riittää, kun sanotaan, että melkein kaikissa tapauksissa et koskaan pääse vuorovaikutukseen virtuaalisten hiukkasten (tässä tapauksessa positronin ja elektronin) kanssa ja puhut vain fotonin kanssa.
Mutta ei kaikissa tapauksissa.
Valoa pimeässä
Sarjassa kokeiluja, joita ATLAS-yhteistyö suoritti Ranskan ja Sveitsin rajan alla olevalla suurella hadronikoristelijalla ja joka toimitettiin äskettäin online-esikartatietolehteen arXiv, tiimi vietti liian paljon aikaa lyömällä lyijyytät toisiinsa melkein valon nopeudella. . He eivät kuitenkaan tosiasiassa antaneet lyijyhiukkasten osua toisiinsa; sen sijaan bitit tulivat vain hyvin, hyvin, hyvin, hyvin lähellä.
Tällä tavalla sen sijaan, että joutuisi käsittelemään törmäyksen jättimäistä sotkua, joka sisältää paljon ylimääräisiä hiukkasia, voimia ja energioita, lyijiatomit vain vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen voiman kautta. Toisin sanoen, he vain vaihtoivat paljon fotoneja.
Ja joka kerta - erittäin, uskomattoman harvoin - yksi näistä fotoneista muuttuisi hetkeksi pariksi, joka koostuu positronista ja elektronista; sitten toinen fotoni näkisi yhden niistä positronista tai elektronista ja puhuisi sen kanssa. Vuorovaikutus tapahtuisi.
Nyt, tässä vuorovaikutuksessa, fotoni vain erääntyy joko elektroniin tai positroniin ja menee iloisella tiellä ilman mitään haittaa. Lopulta tämä positroni tai elektroni löytää parikaverinsa ja palaa fotoniksi, joten kahden fotonin, jotka osuvat toisiinsa, tulos on vain kaksi fotonia, jotka pakenevat toisistaan. Mutta se, että he pystyivät puhumaan toistensa kanssa, on huomattavaa.
Kuinka merkittävää? No, biljoonien biljoonien törmäysten jälkeen joukkue havaitsi yhteensä 59 potentiaalista risteystä. Vain 59.
Mutta mitä nuo 59 vuorovaikutusta kertovat meille maailmankaikkeudesta? Yksi he vahvistavat tämän kuvan, että fotoni ei ole aina fotoni.
Ja tutkimalla näiden hiukkasten hyvin kvanttiluonnetta, voimme oppia uutta fysiikkaa. Esimerkiksi joissakin hienoissa malleissa, jotka työntävät tunnettujen hiukkasfysiikan rajoja, nämä fotonien vuorovaikutukset tapahtuvat hiukan eri nopeudella, mikä mahdollisesti antaa meille tavan tutkia ja testata näitä malleja. Tällä hetkellä meillä ei ole tarpeeksi tietoa kertoaksesi eroista näiden mallien välillä. Mutta nyt, kun tekniikka on vakiintunut, saatamme vain edetä.
Ja sinun on annettava anteeksi tässä ilmeisestä päätepisteestä, mutta toivottavasti pian voimme valaista tilannetta.
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä "Kysy avaruusasemalta" ja "Space Radio,"ja kirjoittaja"Paikkasi maailmankaikkeudessa."
