Juhul, kui te seda ei taibanud, on footonid pisikesed valguse bitid. Tegelikult on nad väikseim võimalik valgus. Lambi sisselülitamisel voolab sellest pirnist hiiglaslik arv footoneid ja paiskub teie silmadesse, kus neid võrkkest neelab ja elektrisignaaliks muudab, nii et näete, mida teete.
Võite ette kujutada, kui palju footoneid ümbritseb teid korraga. Mitte ainult teie toas olevatest tuledest, vaid ka footonid voolavad päikese kaudu akna kaudu. Isegi teie enda keha genereerib footoneid, kuid infrapunaenergiates täiesti allapoole, nii et teil on nende nägemiseks vaja nägemisprille. Kuid nad on endiselt olemas.
Ja muidugi, kõik raadiolained ja ultraviolettkiirgus ning kõik muud kiired pommitavad pidevalt teid ja kõike muud lõputu footonivooga.
See on footonid kõikjal.
Need väikesed valguspakid ei peaks üksteisega suhtlema, kuna neil pole "teadlikkust", et teised on isegi olemas. Füüsikaseadused on sellised, et üks footon möödub lihtsalt null interaktsiooniga teisest.
Vähemalt nii arvasid füüsikud. Uues eksperimendis maailma võimsaimas aatomipurustajas said teadlased aga pilgu võimatule: footonid põrkuvad üksteisele. Saak? Need footonid olid nende mängust pisut eemal, mis tähendab, et nad ei käitunud nagu ise ja olid ajutiselt muutunud virtuaalseks. Neid üliharuldasi interaktsioone uurides loodavad füüsikud paljastada mõned valguse põhilised omadused ja võib-olla isegi avastada uue suure energiaga füüsika, näiteks suured ühtsed teooriad ja (võib-olla) supersümmeetria.
Kerge puudutus
Tavaliselt on hea asi, kui footonid ei suhelda üksteisega ega põgene üksteise juurest, sest see oleks täielik hullumaja, kus footonid ei lähe kunagi mingisse sirgjoonesse. Nii et õnneks libisevad kaks footonit lihtsalt üksteise kohal, justkui teist poleks isegi olemas.
St enamiku ajast.
Suure energiatarbega katsetes võime (palju küünarnukimäärdega) saada kaks footoni üksteise löömiseks, ehkki seda juhtub väga harva. Füüsikud on sedalaadi protsessist huvitatud, kuna see paljastab valguse enda olemuse väga sügavad omadused ja võib aidata avastada mõnda ootamatut füüsikat.
Footonid suhtlevad üksteisega nii harva, sest nad ühenduvad ainult osakestega, millel on elektrilaengud. See on lihtsalt üks neist universumi reeglitest, mille järgi peame elama. Kuid kui see on universumi reegel, kuidas saaksime siis kunagi kaks footonit, millel pole laengut, üksteisega ühendust luua?
Kui footon pole
Vastus peitub moodsa füüsika ühes kõige tajutavamas ja samas maitsvamas aspektis ning see kannab kvant-elektrodünaamika funky nime.
Sellel subatomiaatomaailma pildil ei ole footon tingimata footon. Noh, vähemalt pole see alati footon. Osakesed nagu elektronid ja footonid ning kõik muud -oonid libisevad pidevalt edasi-tagasi, muutes identiteeti reisides. Alguses tundub segane: kuidas saaks öelda, et valguskiir võib olla midagi muud kui valguskiir?
Selle jama käitumise mõistmiseks peame oma teadvust pisut laiendama (väljendi laenama).
Kui footonid reisivad, siis võib aeg-ajalt liikuda (ja pidage meeles, et see on äärmiselt, äärmiselt harukordne). Ja selle asemel, et olla ainult footon, võib sellest saada osakeste paar, negatiivselt laetud elektron ja positiivselt laetud positron (elektroni antimateriaalne partner), mis liiguvad koos.
Pilgutage silma ja jätate kahe silma vahele, sest positron ja elektron leiavad üksteist ja nagu juhtub siis, kui mateeria ja antimaterjal kohtuvad, hävivad nad. Paaritu paar muutub taas footoniks.
Erinevatel põhjustel, mis on praegu liiga keeruliseks sattuda, kui see juhtub, nimetatakse neid paare virtuaalseteks osakesteks. Piisab, kui öelda, et peaaegu kõigil juhtudel ei saa te kunagi virtuaalsete osakestega (antud juhul positron ja elektron) suhelda ja saate rääkida ainult footoniga.
Kuid mitte igal juhul.
Pimedas tuli
Prantsuse-Šveitsi piiri ääres asuvas suures Hadron Collideris läbi viidud eksperimentide seerias, mis hiljuti edastati veebipõhisele eeltrükiajakirjale arXiv, veetis meeskond liiga palju aega, et peaaegu tuled kiirusel üksteisele pliituumasid lüüa. . Kuid nad ei lasknud pliiosakestel üksteist lüüa; selle asemel tulid bitid lihtsalt väga-väga-väga-väga lähedale.
Sel viisil, selle asemel, et tegeleda kokkupõrke hiiglasliku jamaga, mis sisaldab palju lisaosakesi, jõude ja energiaid, integreerisid pliiaatomid lihtsalt elektromagnetilise jõu kaudu. Teisisõnu, nad lihtsalt vahetasid terve hulga footoneid.
Ja iga natukese aja tagant - äärmiselt, uskumatult harva - muutuks üks neist footonitest lühidalt paariks, mis koosneb positiivrist ja elektronist; siis näeks teine footon ühte neist positronitest või elektronidest ja räägiks sellega. Toimuks koostoime.
Nüüd põrkub footon selles interaktsioonis lihtsalt elektroni või positroni ja läheb oma meelega minema ilma igasuguse kahjuta. Lõpuks leiab see positron või elektron oma tüürimehe ja naaseb taas footoniks, nii et kahe teineteisega lööva footoni tulemus on lihtsalt kaks teineteisest eemalduvat footoni. Kuid see, et nad üldse suutsid omavahel rääkida, on tähelepanuväärne.
Kui tähelepanuväärne? Pärast triljoneid triljoneid kokkupõrkeid tuvastas meeskond kokku 59 potentsiaalset ristmikku. Just 59.
Mida räägivad meile need 59 interaktsiooni universumist? Esiteks kinnitavad nad seda pilti, et footon ei ole alati footon.
Ja uurides nende osakeste väga kvantlikku olemust, saime õppida mõnda uut füüsikat. Näiteks mõnes väljamõeldud mudelis, mis tõukavad tuntud osakeste füüsika piire, toimuvad need footonite vastasmõjud veidi erineva kiirusega, võimaldades meile võimaluse nende mudelite uurimiseks ja katsetamiseks. Praegu pole meil piisavalt andmeid, et selgitada nende mudelite erinevusi. Kuid nüüd, kus tehnika on sisse seatud, võiksime lihtsalt pisut edasi liikuda.
Ja te peate siin vabandama väga ilmse lõputunnistuse, kuid loodetavasti saame varsti olukorrale veidi valgust anda.
Paul M. Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool, host "Küsi kosmosemehelt" ja "Kosmoseraadio,"ja"Sinu koht universumis."
