Vova Krasen
0 
3056
661
Jeśli nie zdawałeś sobie z tego sprawy, fotony to maleńkie małe cząsteczki światła. W rzeczywistości są najmniejszym możliwym kawałkiem światła. Kiedy włączasz lampę, gigantyczne ilości fotonów wychodzą z tej żarówki i uderzają w twoje oczy, gdzie są absorbowane przez twoją siatkówkę i zamieniane w sygnał elektryczny, dzięki czemu możesz zobaczyć, co robisz.
Możesz więc sobie wyobrazić, ile fotonów otacza Cię w danym momencie. Nie tylko ze świateł w Twoim pokoju, ale także fotony wpadają przez okno ze słońca. Nawet twoje własne ciało generuje fotony, ale aż do dołu w energiach podczerwonych, więc potrzebujesz gogli noktowizyjnych, aby je zobaczyć. Ale nadal tam są.
I oczywiście wszystkie fale radiowe, promienie ultrafioletowe i wszystkie inne promienie nieustannie bombardują ciebie i wszystko inne niekończącym się strumieniem fotonów.
Wszędzie są fotony.
Te małe paczki światła nie powinny ze sobą oddziaływać, zasadniczo nie mając „świadomości”, że inne w ogóle istnieją. Prawa fizyki są takie, że jeden foton przechodzi obok drugiego przy zerowym oddziaływaniu. [18 największych nierozwiązanych tajemnic w fizyce]
Tak przynajmniej myśleli fizycy. Jednak w nowym eksperymencie, przeprowadzonym w najpotężniejszym niszczarce atomów na świecie, naukowcy dostrzegli niemożliwe: zderzające się ze sobą fotony. Haczyk? Te fotony były trochę poza ich grą, co oznacza, że nie zachowywały się tak jak oni, a zamiast tego stały się tymczasowo „wirtualne”. Badając te niezwykle rzadkie interakcje, fizycy mają nadzieję odkryć niektóre z podstawowych właściwości światła, a być może nawet odkryć nową fizykę wysokich energii, taką jak teorie wielkiej unifikacji i (być może) supersymetrii..
Lekki dotyk
Zwykle to dobrze, że fotony nie oddziałują ze sobą ani nie odbijają się od siebie, ponieważ byłby to totalny dom wariatów, w którym fotony nigdy nie docierałyby nigdzie w żadnej linii prostej. Tak więc, na szczęście, dwa fotony po prostu ślizgają się obok siebie, tak jakby drugi w ogóle nie istniał.
To znaczy przez większość czasu.
W eksperymentach wysokoenergetycznych możemy (z dużą ilością smaru łokciowego) zmusić dwa fotony do uderzenia w siebie, chociaż zdarza się to bardzo rzadko. Fizycy są zainteresowani tego rodzaju procesem, ponieważ ujawnia on pewne bardzo głębokie właściwości samej natury światła i może pomóc w odkryciu nieoczekiwanej fizyki. [18 razy cząstki kwantowe rozwiały nasze umysły]
Fotony tak rzadko oddziałują ze sobą, ponieważ łączą się tylko z cząsteczkami posiadającymi ładunki elektryczne. To tylko jedna z tych reguł wszechświata, według których musimy żyć. Ale jeśli taka jest zasada wszechświata, to jak moglibyśmy kiedykolwiek uzyskać dwa fotony, które nie mają ładunku, aby połączyć się ze sobą?
Kiedy foton nie jest
Odpowiedź tkwi w jednym z najbardziej nieodgadnionych, a jednocześnie smakowitych aspektów współczesnej fizyki i nosi zabawną nazwę elektrodynamiki kwantowej..
Na tym obrazie świata subatomowego foton niekoniecznie jest fotonem. Cóż, przynajmniej nie zawsze jest to foton. Cząstki, takie jak elektrony i fotony oraz wszystkie inne -ony, nieustannie przerzucają się tam iz powrotem, zmieniając tożsamości podczas podróży. Na początku wydaje się to zagmatwane: jak, powiedzmy, wiązka światła mogłaby być czymś innym niż wiązką światła?
Aby zrozumieć to zwariowane zachowanie, musimy trochę poszerzyć naszą świadomość (pożyczyć wyrażenie).
W przypadku fotonów, gdy podróżują, co jakiś czas (i pamiętaj, że jest to niezwykle, niezwykle rzadkie) można zmienić zdanie. I zamiast być tylko fotonem, może stać się parą cząstek, ujemnie naładowanym elektronem i dodatnio naładowanym pozytonem (partnerem antymaterii elektronu), które podróżują razem.
Mrugnij, a przegapisz to, ponieważ pozyton i elektron odnajdą się nawzajem i, jak to się dzieje, gdy spotykają się materia i antymateria, anihilują. Nieparzysta para zamieni się z powrotem w foton.
Z różnych powodów, które są zbyt skomplikowane, aby się do nich teraz zgłosić, kiedy tak się dzieje, pary te nazywane są cząstkami wirtualnymi. Dość powiedzieć, że prawie we wszystkich przypadkach nie można wejść w interakcję z wirtualnymi cząstkami (w tym przypadku z pozytonem i elektronem), a rozmawiać można tylko z fotonem.
Ale nie w każdym przypadku.
Światło w ciemności
W serii eksperymentów przeprowadzonych przez zespół ATLAS w Wielkim Zderzaczu Hadronów pod granicą francusko-szwajcarską i niedawno przesłanych do internetowego czasopisma arXiv, zespół spędził zbyt wiele czasu na uderzaniu jąder ołowiu w siebie z prędkością niemalże światła. . Jednak w rzeczywistości nie pozwolili, aby cząsteczki ołowiu uderzały w siebie; zamiast tego bity po prostu zbliżyły się bardzo, bardzo, bardzo, bardzo blisko. [Zdjęcia: Największy na świecie niszczyciel atomów (LHC)]
W ten sposób, zamiast mieć do czynienia z gigantycznym bałaganem zderzenia, obejmującym wiele dodatkowych cząstek, sił i energii, atomy ołowiu po prostu oddziałują za pośrednictwem siły elektromagnetycznej. Innymi słowy, po prostu wymienili całe mnóstwo fotonów.
I co jakiś czas - niezwykle, niewiarygodnie rzadko - jeden z tych fotonów na krótko zamieniał się w parę złożoną z pozytonu i elektronu; wtedy inny foton zobaczy jeden z tych pozytonów lub elektronów i porozmawia z nim. Nastąpiłaby interakcja.
Teraz, w tej interakcji, foton po prostu wpada na elektron lub pozyton i odlatuje w wesołą drogę bez żadnej szkody. W końcu ten pozyton lub elektron znajduje swojego partnera i powraca do bycia fotonem, więc wynikiem zderzenia dwóch fotonów są tylko dwa odbijające się od siebie fotony. Ale to, że w ogóle byli w stanie ze sobą rozmawiać, jest niezwykłe.
Jak niezwykłe? Cóż, po trylionach bilionów kolizji zespół wykrył łącznie 59 potencjalnych skrzyżowań. Tylko 59.
Ale co te 59 interakcji mówi nam o wszechświecie? Po pierwsze, potwierdzają ten obraz, że foton nie zawsze jest fotonem.
Zagłębiając się w samą kwantową naturę tych cząstek, mogliśmy nauczyć się nowej fizyki. Na przykład w niektórych wymyślnych modelach, które przesuwają granice znanej fizyki cząstek elementarnych, te interakcje fotonów zachodzą z nieco inną szybkością, co potencjalnie daje nam możliwość eksploracji i testowania tych modeli. W tej chwili nie mamy wystarczających danych, aby określić różnice między którymkolwiek z tych modeli. Ale teraz, gdy technika jest już ustalona, możemy po prostu poczynić postępy.
I będziesz musiał wybaczyć bardzo oczywistą grę słów zamykających, ale miejmy nadzieję, że wkrótce będziemy mogli rzucić trochę światła na tę sytuację.
- 12 najdziwniejszych obiektów we Wszechświecie
- 9 liczb fajniejszych niż liczba pi
- Zdjęcie: Wewnątrz najlepszych laboratoriów fizycznych na świecie
Paul M. Sutter jest astrofizykiem w Uniwersytet Stanowy Ohio, gospodarzem "Zapytaj kosmonautę" i "Space Radio,„i autor”Twoje miejsce we Wszechświecie."
Pierwotnie opublikowano w dniu .