V případě, že jste si to neuvědomili, jsou fotony malé kousky světla. Ve skutečnosti jsou to nejmenší možné světlo. Když zapnete lampu, z této žárovky vytryskne obrovská množství fotonů a zasáhne vás do očí, kde jsou absorbovány sítnicí a proměněny v elektrický signál, takže můžete vidět, co děláte.
Můžete si tedy představit, kolik fotonů vás obklopuje najednou. Nejen ze světel ve vašem pokoji, ale také fotony proudí oknem ze slunce. Dokonce i vaše vlastní tělo generuje fotony, ale celou dobu v infračervených energiích, takže je musíte vidět, abyste si je mohli prohlédnout. Ale stále jsou tam.
A samozřejmě všechny rádiové vlny a ultrafialové paprsky a všechny ostatní paprsky neustále bombardují vás a všechno ostatní nekonečným proudem fotonů.
Jsou to fotony všude.
Tyto malé balíčky světla by neměly vzájemně interagovat, v podstatě nemají žádné „vědomí“, že ostatní dokonce existují. Fyzikální zákony jsou takové, že jeden foton právě prochází jiným s nulovou interakcí.
To je to, co si mysleli fyzici. Ale v novém experimentu uvnitř nejsilnější atomové kouřové sondy na světě vědci nahlédli do nemožného: fotony narážely do sebe. Úlovek? Tyto fotony byly trochu mimo jejich hru, což znamená, že nejednali jako oni, a místo toho se dočasně staly „virtuálními“. Studiem těchto mimořádně vzácných interakcí fyzikové doufají, že odhalí některé základní vlastnosti světla a možná dokonce objeví novou vysoce energetickou fyziku, jako jsou velké sjednocené teorie a (možná) supersymetrie.
Lehký dotek
Obvykle je to dobrá věc, že fotony navzájem nekomunikují nebo se navzájem neodrazí, protože by to byl celkem blázen s fotony, které nikdy nikam nevedou v žádné přímce. Naštěstí tedy dva fotony jednoduše sklouznou jeden po druhém, jako by ten druhý neexistoval.
To je většinou.
Při experimentech s vysokou energií můžeme (s velkým množstvím loketního tuku) získat dva fotony, aby se navzájem udeřili, i když k tomu dochází velmi zřídka. Fyzici se zajímají o tento druh procesu, protože odhaluje některé velmi hluboké vlastnosti povahy světla samotného a může pomoci odhalit nějakou neočekávanou fyziku.
Fotony tak zřídka vzájemně interagují, protože se spojují pouze s částicemi, které mají elektrické náboje. Je to jen jedno z těch pravidel vesmíru, kterým musíme žít. Ale pokud je to pravidlo vesmíru, jak bychom mohli získat dva fotony, které jsou bez poplatku, aby se spojily?
Když foton není
Odpověď spočívá v jednom z nejvíce nevyzpytatelných a přesto chutných aspektů moderní fyziky a jde o funky jméno kvantové elektrodynamiky.
Na tomto obrázku subatomického světa není foton nutně foton. Alespoň to není vždy foton. Částice, jako jsou elektrony a fotony a všechny ostatní, se při cestování neustále otáčí sem a tam. Zprvu to vypadá matoucí: Jak by mohl být paprsek světla něco jiného než paprsek světla?
Abychom porozuměli tomuto šílenému chování, musíme trochu rozšířit naše vědomí (vypůjčit si výraz).
V případě fotonů, jak cestují, se může každý čas za čas (a mějte na paměti, že je to extrémně, velmi vzácně), může člověk změnit názor. A místo toho, aby byl pouhým fotonem, může se stát párem částic, záporně nabitým elektronem a pozitivně nabitým pozitronem (antihmotovým partnerem elektronu), které cestují společně.
Mrkněte a bude vám to chybět, protože pozitron a elektron se najdou jeden druhého, a jak se stane, když se setkají hmota a antihmota, zničí je, poof. Lichý pár se změní zpět na foton.
Z různých důvodů, které jsou příliš složité na to, abychom se dostali právě teď, když se to stane, se tyto páry nazývají virtuální částice. Postačí, když řeknete, že téměř ve všech případech nikdy nezačnete interagovat s virtuálními částicemi (v tomto případě s pozitronem a elektronem) a že s fotonem budete mluvit jen někdy.
Ale ne v každém případě.
Světlo ve tmě
V sérii experimentů prováděných spoluprací ATLAS na Large Hadron Collider pod francouzsko-švýcarskou hranicí a nedávno odeslaných do online předtiskového časopisu arXiv, strávil tým příliš mnoho času tím, že do sebe vrazil jádra olova téměř rychlostí světla . Ve skutečnosti však nenechali olověné částice dopadnout na sebe; místo toho bity právě přišly velmi, velmi, velmi, velmi blízko.
Tímto způsobem, místo toho, aby se museli vypořádat s obrovským nepořádkem kolize, včetně mnoha dalších částic, sil a energií, atomy olova právě interagovaly prostřednictvím elektromagnetické síly. Jinými slovy, vyměnili si jen spoustu fotonů.
A jednou za čas - extrémně, neuvěřitelně zřídka - se jeden z těchto fotonů krátce proměnil v dvojici složenou z pozitronu a elektronu; pak další foton uvidí jeden z těchto pozitronů nebo elektronů a promluví s ním. Došlo by k interakci.
Nyní, v této interakci, foton jen tak nějak narazí do elektronu nebo pozitronu a odejde na své veselé cestě bez jakéhokoli poškození. Nakonec ten pozitron nebo elektron najde svého partnera a vrátí se k tomu, že je foton, takže výsledkem toho, že dva fotony dopadly na sebe, jsou jen dva fotony, které se odrazily od sebe. Ale to, že byli schopni spolu mluvit, je pozoruhodné.
Jak pozoruhodné? Po bilionech po bilionech srážek tým detekoval celkem 59 potenciálních křižovatek. Jen 59.
Co nám však těchto 59 interakcí říká o vesmíru? Jednak ověřují tento obrázek, že foton není vždy foton.
A vykopáním do velmi kvantové povahy těchto částic jsme se mohli naučit nějakou novou fyziku. Například v některých vymyšlených modelech, které posouvají hranice známé fyziky částic, dochází k těmto fotonovým interakcím mírně odlišnou rychlostí, což nám potenciálně dává způsob zkoumání a testování těchto modelů. Momentálně nemáme dostatek dat, abychom mohli rozeznat rozdíly mezi některými z těchto modelů. Ale teď, když je tato technika zavedena, bychom mohli jen trochu pokročit.
A budete muset omluvit tu zcela zřejmou závěrečnou hříčku, ale doufejme, že brzy budeme moci situaci osvětlit.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Státní univerzita v Ohiu, hostitel „Zeptejte se Spacemana" a "Vesmírné rádio,"a autor"Vaše místo ve vesmíru."
