У случају да тога нисте схватили, фотони су ситни мали комадићи светлости. У ствари, они су најмањи могући део светлости. Када укључите лампу, огромни бројеви фотона извиру из те сијалице и забију вам се у очи, где их апсорбује ваша мрежница и претварају у електрични сигнал тако да можете видети шта радите.
Дакле, можете замислити колико вас фотона окружује у било којем тренутку. Не само од светла у вашој соби, већ се кроз прозор пробијају и сунци. Чак и ваше тело ствара фотоне, али скроз доле инфрацрвене енергије, па су вам потребне наочаре за ноћно осматрање да бисте их видели. Али они су још увек ту.
И, наравно, сви радио таласи и ултраљубичасто зрачење и сви остали зраци непрестано бомбардују вас и све остало бесконачним током фотона.
Фотони су свуда.
Ти мали пакетићи светлости не би требало да делују једни са другима, у суштини немају "свест" да остали уопште постоје. Закони физике су такви да један фотон само пролази поред другог са нултом интеракцијом.
Барем су тако мислили физичари. Али у новом експерименту унутар најмоћнијег уништавања атома на свету, истраживачи су увидели немогуће: фотони који се нагађају један у другог. Цака? Ови фотони су мало напустили своју игру, што значи да се нису понашали попут себе и уместо тога привремено су постали "виртуелни". Проучавајући ове супер ретке интеракције, физичари се надају да ће открити нека основна својства светлости и можда чак открити нове високоенергетске физике, попут великих обједињених теорија и (можда) суперсиметрије.
Лагани додир
Обично је добра ствар што фотони не комуницирају једни са другима и не одбијају се један од другог, јер би то била тотална лудница са фотонима који никада нигде не иде никаквом правом линијом. Срећом, два фотона ће једноставно клизнути један за другим као да други уопће не постоје.
То је, углавном.
У високоенергетским експериментима, можемо (са пуно масти за лактове) добити два фотона да ударају једни друге, мада се то догађа веома ретко. Физичари су заинтересовани за овакав поступак јер открива нека веома дубока својства саме природе светлости и могла би помоћи у откривању неке неочекиване физике.
Фотони тако ријетко међусобно дјелују, јер се повезују само с честицама које имају електрични набој. То је само једно од оних правила универзума кроз које морамо живети. Али ако је ово правило универзума, како бисмо икада могли добити два фотона који немају набој да се повежу једни с другима?
Кад фотон није
Одговор се крије у једном од најнеупадљивијих, а опет укусних аспеката савремене физике, и иде под симпатичним именом квантне електродинамике.
На овој слици субатомског света фотон није нужно фотон. Па, бар, није увек фотон. Честице попут електрона и фотона и свих осталих -он непрестано лете напред-назад, мењајући идентитет док путују. У почетку изгледа збуњујуће: Како, рецимо, сноп светлости може бити ишта осим снопа светлости?
Да бисмо разумели ово откачено понашање, морамо мало проширити своју свест (посудити израз).
У случају фотона, док путују, с времена на време (и имајте на уму да је то изузетно, изузетно ретко), човек се може предомислити. И уместо да буде само фотон, он може постати пар честица, негативно наелектрисан електрон и позитивно наелектрисан позитрон (антиматеријски партнер електрона), који заједно путују.
Трепћите и пропустићете је, јер ће се позитрони и електрони наћи једни другима, и, као што се догађа када се материја и антиматерија сусретну, уништавају се. Непарни пар претвориће се назад у фотон.
Из разних разлога који су превише компликовани за улазак у ово време, када се то догоди, ови парови се називају виртуалним честицама. Довољно је рећи да у готово свим случајевима никада не дођете у интеракцију са виртуалним честицама (у овом случају позитроном и електроном), а разговарате само са фотоном.
Али не у сваком случају.
Светло у мраку
У низу експеримената које је АТЛАС колаборација спровела на великом хадронском сударачу испод француско-швајцарске границе и који је недавно поднесен у интернетски часопис за претпринтају арКсив, тим је провео превише времена убацујући оловна језгра једно у друго брзином скоро брзином светлости . Међутим, они заправо нису дозволили да се оловне честице ударају једна о другу; уместо тога, битови су управо дошли веома, веома, веома, врло близу.
На овај начин, уместо да се суоче са гигантским нередом судара, укључујући мноштво додатних честица, сила и енергије, атоми олова су само међусобно деловали преко електромагнетне силе. Другим речима, они су само размењивали читав низ фотона.
И с времена на време - изузетно, невероватно ретко - један од ових фотона накратко би се претворио у пар састављен од позитрона и електрона; онда би још један фотон видео један од тих позитрона или електрона и разговарао с њим. Дошло би до интеракције.
Сада, у овој интеракцији, фотон на неки начин налетје на електрон или на позитрон и креће се својим ведрим путем без икакве штете. На крају, тај позитрон или електрон нађе свог пара и враћа се фотону, тако да су резултат два фотона који ударају једни о друге само два фотона који се одбијају један од другог. Али то што су уопште били у могућности да разговарају једни са другима је изузетно.
Колико изванредно? Па, након трилијуна на билиона судара, тим је открио укупно 59 потенцијалних раскрсница. Само 59.
Али шта нам та 59 интеракција говоре о универзуму? Као прво, они потврђују ову слику да фотон није увек фотон.
И укопавањем саме квантне природе ових честица, могли бисмо научити неку нову физику. На пример, у неким маштовитим моделима који померају границе познате физике честица, ове фотонске интеракције се дешавају мало другачијим брзинама, што нам потенцијално омогућава начин да истражимо и тестирамо ове моделе. Тренутно немамо довољно података да би се показале разлике међу било којим од ових модела. Али сада када је техника успостављена, можда бисмо само мало напредовали.
И овде ћете морати да опростите врло очигледан завршни ударац, али надамо се да ћемо ускоро моћи да осветлимо ситуацију.
Паул М. Суттер је астрофизичар у Државни универзитет у Охају, домаћин "Питајте свемира" и "Свемирски радио,"и аутор"Ваше место у универзуму."
