U slučaju da toga niste shvatili, fotoni su sićušne djeliće svjetlosti. U stvari, oni su najmanja moguća svjetlost. Kad uključite svjetiljku, gigantski brojevi fotona izviru iz te žarulje i zakucaju vam u oči, gdje ih vaša mrežnica apsorbira i pretvara u električni signal tako da možete vidjeti što radite.
Dakle, možete zamisliti koliko vas fotona okružuje u bilo kojem trenutku. Ne samo od svjetla u vašoj sobi, već i fotoni teku kroz sunce kroz prozor. Čak i vaše vlastito tijelo stvara fotone, ali skroz dolje u infracrvenim energijama, tako da su vam potrebne naočale za noćno gledanje da biste ih vidjeli. Ali oni su još uvijek tu.
I, naravno, svi radio valovi i ultraljubičaste zrake i sve ostale zrake neprestano bombardiraju vas i sve ostalo beskonačnim tokom fotona.
Svugdje su fotoni.
Ti mali paketići svjetlosti ne bi trebali međusobno komunicirati, u suštini nemaju "svijest" o tome da ostali uopće postoje. Zakoni fizike su takvi da jedan foton samo prolazi pored drugog s nultom interakcijom.
Barem su tako mislili fizičari. No, u novom pokusu unutar najmoćnijeg svjetskog razbijanja atoma, istraživači su uvidjeli nemoguće: fotoni koji se sudaraju jedan u drugog. Ulov? Ovi fotoni malo su se isključili iz igre, što znači da se nisu ponašali poput sebe i umjesto toga privremeno su postali "virtualni". Proučavajući ove super rijetke interakcije, fizičari se nadaju otkriti neka osnovna svojstva svjetlosti i možda čak otkriti nove visokoenergetske fizike, poput velikih objedinjenih teorija i (možda) supersimetrije.
Lagani dodir
Obično je dobro što fotoni ne djeluju jedni s drugima i ne odbijaju se jedan od drugog, jer bi to bila totalna ludnica s fotonima koji nikada nigdje ne ide ravnomjerno. Na sreću, dva će se fotona jednostavno kliznuti jedan za drugim kao da drugi uopće ne postoje.
Odnosno, većinu vremena.
U visokoenergetskim eksperimentima možemo (s puno masti u laktima) dobiti dva fotona da se međusobno udaraju, mada se to događa vrlo rijetko. Fizičari su zainteresirani za ovakav postupak jer otkriva neka vrlo duboka svojstva same prirode svjetla i mogla bi pomoći otkrivanju neke neočekivane fizike.
Fotoni tako rijetko djeluju jedan s drugim jer se povezuju samo s česticama koje imaju električni naboj. To je samo jedno od onih pravila svemira koje moramo živjeti. Ali ako je ovo pravilo svemira, kako bismo ikada mogli dobiti dva fotona koji nemaju naboj da se međusobno povežu?
Kad foton nije
Odgovor se nalazi u jednom od najneupadljivijih, a opet ukusnih aspekata moderne fizike, i ide pod simpatičnim nazivom kvantne elektrodinamike.
Na ovoj slici subatomskog svijeta foton nije nužno foton. Pa, barem, nije uvijek foton. Čestice poput elektrona i fotona i svih ostalih -on neprestano se okreću naprijed-nazad, mijenjajući identitet dok putuju. U početku izgleda zbunjujuće: Kako, recimo, snop svjetlosti može biti išta osim snopa svjetlosti?
Da bismo razumjeli ovo otkačeno ponašanje, moramo malo proširiti svoju svijest (posuditi izraz).
U slučaju fotona dok putuju, s vremena na vrijeme (i imajte na umu da je to izuzetno, izuzetno rijetko), može se predomisliti. I umjesto da bude samo foton, on može postati par čestica, negativno nabijeni elektron i pozitivno nabijeni pozitroni (antimaterijski partner elektrona) koji zajedno putuju.
Trepćite i propustit ćete je, jer će se pozitroni i elektroni naći jedni druge, i, kao što se događa kad se materija i antimaterija susretnu, uništavaju se. Neparni par pretvorit će se natrag u foton.
Iz raznih razloga koji su previše komplicirani da bi se ulazilo u ovo vrijeme, kad se to dogodi, ove parove nazivamo virtualnim česticama. Dovoljno je reći da u gotovo svim slučajevima nikad ne dođete u interakciju s virtualnim česticama (u ovom slučaju su pozitroni i elektroni), a razgovarate samo s fotonom.
Ali ne u svakom slučaju.
Svjetlo u mraku
U nizu eksperimenata vođenih suradnjom ATLAS-a na Velikom hadronskom sudaraču ispod francusko-švicarske granice i nedavno dostavljenom internetskom časopisu za pretisak arXiv, tim je potrošio previše vremena ubacujući olovne jezgre jedni u druge brzinom brzinom svjetlosti , Međutim, zapravo nisu dopustili da se olovne čestice udaraju jedna o drugu; umjesto toga, bitovi su upravo došli vrlo, jako, vrlo, vrlo blizu.
Na ovaj način, umjesto da se suoče s gigantskim neredom sudara, uključujući mnoštvo dodatnih čestica, sila i energija, olovni atomi su međudjelovali elektromagnetskom silom. Drugim riječima, samo su razmijenili čitav niz fotona.
I s vremena na vrijeme - izuzetno, nevjerojatno rijetko - jedan od tih fotona nakratko bi se pretvorio u par sastavljen od pozitrona i elektrona; onda bi još jedan foton vidio jedan od tih pozitrona ili elektrona i razgovarao s njim. Došlo bi do interakcije.
Sada, u ovoj interakciji, foton samo naleti na elektron ili na pozitron i kreće svojim veselim putem bez ikakve štete. Na kraju, taj pozitron ili elektron pronalazi svog partnera i vraća se fotonu, tako da su rezultat dva fotona koji se međusobno pogađaju samo dva fotona koji se odbijaju jedan od drugog. Ali to što su uopće mogli razgovarati jedni s drugima je izvanredno.
Kako izvanredno? Pa, nakon trilijuna na bilijuna sudara, tim je otkrio ukupno 59 potencijalnih raskrižja. Samo 59.
Ali što nam govore 59 tih interakcija o svemiru? Kao prvo, on potvrđuje ovu sliku da foton nije uvijek foton.
I kopanjem u samu kvantnu prirodu tih čestica, mogli bismo naučiti novu fiziku. Na primjer, u nekim maštovitim modelima koji pomiču granice poznate fizike čestica, ove fotonske interakcije odvijaju se malo različitim brzinama, što nam potencijalno omogućuje način istraživanja i ispitivanja ovih modela. Trenutno nemamo dovoljno podataka da bi se pokazale razlike među bilo kojim od ovih modela. Ali sada kada je tehnika uspostavljena, možda bismo samo malo napredovali.
I ovdje ćete morati opravdati vrlo očigledan završetak, ali nadamo se da ćemo uskoro moći rasvijetliti situaciju.
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin "Pitajte svemira" i "Svemirski radio,"i autor"Vaše mjesto u svemiru."
