Σε περίπτωση που δεν το συνειδητοποιήσατε, τα φωτόνια είναι μικροσκοπικά κομμάτια φωτός. Στην πραγματικότητα, είναι το μικρότερο δυνατό φως. Όταν ενεργοποιείτε μια λάμπα, γιγαντιαίοι αριθμοί φωτονίων προέρχονται από τον βολβό και βυθίζονται στα μάτια σας, όπου απορροφώνται από τον αμφιβληστροειδή σας και μετατρέπονται σε ηλεκτρικό σήμα έτσι ώστε να μπορείτε να δείτε τι κάνετε.
Έτσι, μπορείτε να φανταστείτε πόσα φωτόνια σας περιβάλλουν οποιαδήποτε στιγμή. Όχι μόνο από τα φώτα στο δωμάτιό σας, αλλά και τα φωτόνια εισέρχονται μέσα από το παράθυρο από τον ήλιο. Ακόμη και το δικό σας σώμα παράγει φωτόνια, αλλά καθ 'όλη τη διάρκεια των ενεργειών υπέρυθρης ακτινοβολίας, έτσι χρειάζεστε γυαλιά νυχτερινής όρασης για να τα δείτε. Αλλά είναι ακόμα εκεί.
Και, φυσικά, όλα τα ραδιοκύματα και οι υπεριώδεις ακτίνες και όλες οι άλλες ακτίνες βομβαρδίζουν συνεχώς εσάς και οτιδήποτε άλλο με μια ατελείωτη ροή φωτονίων.
Είναι φωτόνια παντού.
Αυτά τα μικρά πακέτα φωτός δεν υποτίθεται ότι αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, ουσιαστικά χωρίς «συνείδηση» που υπάρχουν και οι άλλοι. Οι νόμοι της φυσικής είναι τέτοιοι που ένα φωτόνιο περνά απλά από ένα άλλο με μηδενική αλληλεπίδραση.
Αυτό τουλάχιστον σκέφτηκαν οι φυσικοί. Αλλά σε ένα νέο πείραμα στο εσωτερικό του ισχυρότερου θρυμματιστή του κόσμου, οι ερευνητές πήραν μια ματιά στο αδύνατο: τα φωτόνια χτύπησαν ο ένας στον άλλο. Το πιάσιμο? Αυτά τα φωτόνια ήταν λίγο έξω από το παιχνίδι τους, που σημαίνει ότι δεν ενεργούσαν όπως και οι ίδιοι και αντ 'αυτού είχαν προσωρινά γίνει "εικονική". Μελετώντας αυτές τις σπάνιες αλληλεπιδράσεις, οι φυσικοί ελπίζουν να αποκαλύψουν κάποιες από τις θεμελιώδεις ιδιότητες του φωτός και ίσως ακόμη και να ανακαλύψουν τη νέα φυσική υψηλής ενέργειας, όπως τις μεγάλες ενοποιημένες θεωρίες και (ίσως) την υπερσυμμετρία.
Μια ελαφριά πινελιά
Συνήθως, είναι καλό που τα φωτόνια να μην αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ή να αναπηδούν ο ένας από τον άλλο, επειδή αυτό θα ήταν ένα πλήρες τρελλό σπίτι με φωτόνια που δεν θα πήγαιναν ποτέ σε καμία ευθεία γραμμή. Έτσι, ευτυχώς, δύο φωτόνια απλά γλιστρούν ο ένας στον άλλο σαν να μην υπήρχε καν το άλλο.
Δηλαδή, τις περισσότερες φορές.
Σε πειράματα υψηλής ενέργειας, μπορούμε (με πολλή λίδα αγκώνα) να πάρουμε δύο φωτόνια για να χτυπήσουμε ο ένας τον άλλον, αν και αυτό συμβαίνει πολύ σπάνια. Οι φυσικοί ενδιαφέρονται για μια τέτοια διαδικασία, διότι αποκαλύπτουν κάποιες πολύ βαθιές ιδιότητες της φύσης του ίδιου του φωτός και θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ανακάλυψη κάποιας απροσδόκητης φυσικής.
Τα φωτόνια τόσο σπάνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους επειδή συνδέονται μόνο με σωματίδια που έχουν ηλεκτρικά φορτία. Είναι μόνο ένας από τους κανόνες του σύμπαντος που πρέπει να ζήσουμε. Αλλά αν αυτό είναι ο κανόνας του σύμπαντος, τότε πώς θα μπορούσαμε ποτέ να έχουμε δύο φωτόνια, τα οποία δεν έχουν καμία δαπάνη, να συνδέονται μεταξύ τους;
Όταν ένα φωτόνιο δεν είναι
Η απάντηση βρίσκεται σε μία από τις πιο ανυπόφορες και ακόμα νόστιμες πτυχές της σύγχρονης φυσικής, και πηγαίνει από το funky όνομα της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής.
Σε αυτή την εικόνα του υποατομικού κόσμου, το φωτόνιο δεν είναι απαραίτητα φωτόνιο. Λοιπόν, τουλάχιστον, δεν είναι πάντα ένα φωτόνιο. Τα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια και όλα τα άλλα - συνεχώς αναποδογυρίζουν, αλλάζοντας ταυτότητες καθώς ταξιδεύουν. Πρώτα φαίνεται να προκαλεί σύγχυση: Πώς μπορεί, για παράδειγμα, μια δέσμη φωτός να είναι κάτι άλλο από μια δέσμη φωτός;
Προκειμένου να κατανοήσουμε αυτήν την εκκεντρική συμπεριφορά, πρέπει να επεκτείνουμε λίγο τη συνείδησή μας (για να δανειστίσουμε μια έκφραση).
Στην περίπτωση των φωτονίων, καθώς ταξιδεύουν κάθε φορά (και να έχετε κατά νου ότι αυτό είναι εξαιρετικό, εξαιρετικά σπάνιο), μπορεί κανείς να αλλάξει γνώμη. Και αντί να είναι μόνο ένα φωτόνιο, μπορεί να γίνει ένα ζεύγος σωματιδίων, ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο και ένα θετικά φορτισμένο ποζιτρόνιο (ο συνεργός αντιύλης του ηλεκτρονίου), που ταξιδεύουν μαζί.
Αναβοσβήνετε και θα το χάσετε, επειδή το ποζιτρόνιο και το ηλεκτρόνιο θα βρεθούν ο ένας στον άλλον και, όπως συμβαίνει όταν συναντιούνται η ύλη και η αντιύλη, εκμηδενίζονται. Το περίεργο ζεύγος θα γυρίσει πίσω σε ένα φωτόνιο.
Για διάφορους λόγους που είναι υπερβολικά περίπλοκοι για να μπουν τώρα, όταν συμβαίνει αυτό, αυτά τα ζεύγη ονομάζονται εικονικά σωματίδια. Αρκεί να πούμε ότι σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις δεν μπορείτε ποτέ να αλληλεπιδράσετε με τα εικονικά σωματίδια (στην περίπτωση αυτή, το ποζιτρόνιο και το ηλεκτρόνιο), και μιλάτε μόνο για να μιλήσετε στο φωτόνιο.
Αλλά όχι σε κάθε περίπτωση.
Ένα φως στο σκοτάδι
Σε μια σειρά πειραμάτων που διεξήχθησαν από τη συνεργασία ATLAS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων κάτω από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα και πρόσφατα υποβλήθηκαν στο ηλεκτρονικό περιοδικό preprint arXiv, η ομάδα ξόδεψε πάρα πολύ χρόνο για να χτυπήσει πυρήνες μολύβδου ο ένας στον άλλο σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός . Εντούτοις, δεν άφησαν πραγματικά τα σωματίδια μολύβδου να χτυπήσουν το ένα το άλλο. Αντίθετα, τα κομμάτια μόλις ήρθαν πολύ, πολύ, πολύ, πολύ κοντά.
Με αυτόν τον τρόπο, αντί να χρειάζεται να ασχοληθεί με ένα τεράστιο χάος μιας σύγκρουσης, που περιλαμβάνει πολλά επιπλέον σωματίδια, δυνάμεις και ενέργειες, τα άτομα μολύβδου απλά αλληλεπίδρασαν μέσω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Με άλλα λόγια, απλά είχαν ανταλλάξει πολλά φωτόνια.
Και κάθε άλλη φορά - εξαιρετικά, απίστευτα σπάνια - ένα από αυτά τα φωτόνια σύντομα θα μετατραπεί σε ζεύγος αποτελούμενο από ένα ποζιτρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. τότε, ένα άλλο φωτόνιο θα έβλεπε ένα από αυτά τα ποζιτρόνια ή τα ηλεκτρόνια και θα μιλούσε σε αυτό. Θα υπάρξει αλληλεπίδραση.
Τώρα, σε αυτή την αλληλεπίδραση, το φωτόνιο απλά προσκρούει είτε στο ηλεκτρόνιο είτε στο ποζιτρόνιο και ξεκινά με τον εύθυμο τρόπο χωρίς καμιά βλάβη. Τελικά, αυτό το ποζιτρόνιο ή το ηλεκτρόνιο βρίσκει τον σύντροφό του και επιστρέφει στο να είναι ένα φωτόνιο, οπότε το αποτέλεσμα των δύο φωτονίων που χτυπούν ο ένας τον άλλο είναι μόνο δύο φωτόνια που αναπηδούν ο ένας τον άλλον. Αλλά ότι μπόρεσαν να μιλάνε ο ένας στον άλλο είναι αξιοσημείωτο.
Πόσο αξιοσημείωτο; Λοιπόν, μετά από τρισεκατομμύρια σε τρισεκατομμύρια συγκρούσεις, η ομάδα ανίχνευσε ένα μεγάλο σύνολο 59 πιθανών διασταυρώσεων. Μόλις 59.
Αλλά τι μας λένε αυτές οι 59 αλληλεπιδράσεις για το σύμπαν; Για ένα, επικυρώνουν αυτή την εικόνα ότι ένα φωτόνιο δεν είναι πάντα ένα φωτόνιο.
Και με το σκάψιμο στην πολύ κβαντική φύση αυτών των σωματιδίων, θα μπορούσαμε να μάθουμε κάποια νέα φυσική. Για παράδειγμα, σε μερικά φανταχτερά μοντέλα που ωθούν τα όρια της γνωστής φυσικής σωματιδίων, αυτές οι αλληλεπιδράσεις φωτονίων συμβαίνουν με ελαφρώς διαφορετικούς ρυθμούς, ενδεχομένως δίνοντας μας έναν τρόπο να εξερευνήσουμε και να δοκιμάσουμε αυτά τα μοντέλα. Αυτή τη στιγμή, δεν έχουμε αρκετά δεδομένα για να πούμε τις διαφορές μεταξύ αυτών των μοντέλων. Αλλά τώρα που η τεχνική είναι εγκατεστημένη, θα μπορούσαμε να κάνουμε κάποια πρόοδο.
Και θα πρέπει να συγχωρήσετε το πολύ προφανές κλείσιμο της λέσχης εδώ, αλλά ελπίζουμε σύντομα, μπορούμε να ρίξουμε ένα φως στην κατάσταση.
Paul M. Sutter είναι ένας αστροφυσικός στο Το κρατικό πανεπιστήμιο του Οχάιο, υποδοχής "Ρωτήστε έναν διαστημόπλοιο" και "Space Radio,"και συγγραφέας του"Η Θέση σας στο Σύμπαν."
