Jei to nesuvoktumėte, fotonai yra maža maža šviesos dalis. Tiesą sakant, jie yra mažiausi įmanomi šviesos elementai. Kai įjungiate lempą, iš tos lemputės išsiskiria milžiniškas fotonų skaičius ir jie įsmeigiami į akis, kur juos sugeria tinklainė ir paverčia elektriniu signalu, kad galėtumėte pamatyti, ką darote.
Taigi, jūs galite įsivaizduoti, kiek fotonų supa jus vienu metu. Ne tik iš jūsų kambario lempučių, bet ir pro langą pro saulės spindulius patenka fotonai. Net jūsų kūnas generuoja fotonus, bet visą infraraudonųjų spindulių energiją žemyn, todėl jums reikia naktinio matymo akinių, kad juos pamatytumėte. Bet jie vis tiek yra.
Ir, be abejo, visos radijo bangos ir ultravioletiniai spinduliai bei visi kiti spinduliai nuolat bombarduoja tave ir visa kita begaliniu fotonų srautu.
Tai visur fotonai.
Šie maži šviesos paketai neturėtų sąveikauti tarpusavyje, iš esmės neturėdami „supratimo“, kad kiti net egzistuoja. Fizikos dėsniai yra tokie, kad vienas fotonas tiesiog praeina pro kitą su nuline sąveika.
Bent jau taip manė fizikai. Tačiau atlikdami naują eksperimentą galingiausio pasaulyje triuškinančiojo atominio triuškinimo aparato viduje, tyrėjai įžvelgė neįmanomą įspūdį: fotonai sprogo vienas į kitą. Laimikį? Šie fotonai šiek tiek atitiko jų žaidimą, tai reiškia, kad jie nesielgė kaip patys, o laikinai tapo „virtualiais“. Tyrinėdami šias ypač retas sąveikas, fizikai tikisi atskleisti kai kurias esmines šviesos savybes ir galbūt net atrasti naują didelės energijos fiziką, pavyzdžiui, grandiozines suvienytas teorijas ir (galbūt) supersimetriją.
Lengvas prisilietimas
Paprastai yra gerai, kad fotonai nesąveikauja tarpusavyje arba nenukrypsta vienas nuo kito, nes tai būtų visiškas beprotnamis su fotonais, niekur nevažiuojančiais bet kuria tiesia linija. Taigi, laimei, du fotonai tiesiog slys vienas šalia kito, tarsi kito net nebūtų.
Tai yra, didžiąją laiko dalį.
Atlikdami eksperimentus su daug energijos, galime gauti (su daugybe alkūnių tepalų) du fotonus, kad jie atsitrenktų vienas į kitą, nors tai atsitinka labai retai. Fizikai domisi tokiu procesu, nes jis atskleidžia kai kurias labai gilias pačios šviesos prigimties savybes ir galėtų padėti atskleisti netikėtą fiziką.
Fotonai taip retai sąveikauja, nes jungiasi tik su dalelėmis, turinčiomis elektros krūvį. Tai tik viena iš tų Visatos taisyklių, kuria turime gyventi. Bet jei tai yra Visatos taisyklė, tada kaip mes galime kada nors gauti du fotonus, kurie neturi įkrovos, sujungti vienas su kitu?
Kai fotono nėra
Atsakymas slypi viename iš neįsivaizduojamiausių ir dar skaniausių šiuolaikinės fizikos aspektų. Jis eina funky kvantinės elektrodinamikos pavadinimu.
Šiame subatominio pasaulio paveiksle fotonas nebūtinai yra fotonas. Na, bent jau ne visada fotonas. Dalelės, pavyzdžiui, elektronai ir fotonai, ir visi kiti -onai nuolatos eina pirmyn ir atgal, pakeisdami tapatumą keliaudami. Iš pradžių atrodo painu: kaip, tarkim, šviesos spindulys gali būti kas nors kitas nei šviesos spindulys?
Norėdami suprasti šį keistą elgesį, turime šiek tiek praplėsti savo sąmonę (pasiskolinti išraišką).
Kai fotonai keliauja, jie gali kartotis po truputį (ir atsiminti, kad tai labai, labai retai). Vietoj to, kad yra tik fotonas, jis gali tapti dalelių pora, neigiamai įkrautu elektronu ir teigiamai įkrautu pozitronu (antimikrobiniu elektrono partneriu), kurie keliauja kartu.
Mirksėkite ir praleisite, nes pozitronai ir elektronai suras vienas kitą, ir, kaip nutinka, kai susitinka materija ir antimaterija, jie sunaikinami, pašiepiami. Nelyginė pora vėl taps fotonu.
Dėl įvairių priežasčių, į kurias patekti dabar yra per daug sudėtinga, kai tai atsitinka, šios poros vadinamos virtualiomis dalelėmis. Pakanka pasakyti, kad beveik visais atvejais niekada nesąveikauji su virtualiomis dalelėmis (šiuo atveju - pozitronu ir elektronu), ir tiktai kada susikalbi su fotonu.
Bet ne visais atvejais.
Šviesa tamsoje
Atlikdama eksperimentą, kurį vykdė „ATLAS“ bendradarbiaudama dideliame hadronų susidūrime po Prancūzijos ir Šveicarijos pasieniu ir neseniai pateiktą internetiniame priešspausdinimo žurnale „ArXiv“, komanda praleido per daug laiko, kad beveik šviesos greičiu sumuštų švino branduolius. . Tačiau jie neleido švino dalelėms smogti viena į kitą; vietoj to, bitai buvo tiesiog labai, labai, labai, labai arti.
Tokiu būdu, užuot susidūręs su milžiniška susidūrimo netvarka, apimančia daug papildomų dalelių, jėgų ir energijų, švino atomai tiesiog sąveikavo per elektromagnetinę jėgą. Kitaip tariant, jie tiesiog apsikeitė daugybe fotonų.
Ir kiekvieną kartą - nepaprastai, neįtikėtinai retai - vienas iš tų fotonų trumpam virstų pora, sudaryta iš pozitrono ir elektrono; tada kitas fotonas pamatytų vieną iš tų pozitronų ar elektronų ir kalbėtų su juo. Įvyktų sąveika.
Dabar, šioje sąveikoje, fotonas tarsi įsiterpia į elektroną ar pozitroną ir eina savo linksmu keliu, nepadarydamas jokios žalos. Galų gale tas pozitronas ar elektronas suranda savo mate ir grįžta į fotoną, taigi dviejų fotonų, pataikiusių vienas į kitą, rezultatas yra tik du fotonai, atsimušantys vienas nuo kito. Bet tai, kad jie iš viso sugebėjo susikalbėti, yra nuostabu.
Kuo puikus? Na, po trilijonų trilijonų susidūrimų komanda iš viso aptiko 59 galimas sankryžas. Vos 59.
Bet ką tos 59 sąveikos pasakoja apie Visatą? Pirma, jie patvirtina šį vaizdą, kad fotonas ne visada yra fotonas.
O įsigilinę į kvantinę šių dalelių prigimtį, galėtume išmokti naujos fizikos. Pavyzdžiui, kai kuriuose išgalvotuose modeliuose, kurie perkelia žinomų dalelių fizikos ribas, šios fotonų sąveikos vyksta šiek tiek skirtingais greičiais, potencialiai suteikdamos mums galimybę ištirti ir išbandyti šiuos modelius. Šiuo metu neturime pakankamai duomenų, kad būtų galima pasakyti apie bet kurio iš šių modelių skirtumus. Bet dabar, kai technika yra sukurta, mes galime šiek tiek pasistūmėti į priekį.
Ir jūs čia turėsite pateisinti labai akivaizdų uždarymo švilpuką, bet tikiuosi, kad netrukus galime šiek tiek parodyti situaciją.
Paulius M. Sutteris yra astrofizikas Ohajo valstijos universitetas, „Paklauskite erdvėlaivio" ir "Kosminis radijas,„ir“Jūsų vieta Visatoje."
