I tilfelle du ikke var klar over det, er fotoner bittesmå små lysbiter. Faktisk er de den minste mulige lys. Når du slår på en lampe, springer gigantiske antall fotoner fra den pæren og smeller inn i øynene dine, der de blir absorbert av netthinnen din og blir til et elektrisk signal slik at du kan se hva du gjør.
Så du kan forestille deg hvor mange fotoner som omgir deg når som helst. Ikke bare fra lysene på rommet ditt, men fotoner strømmer også inn gjennom vinduet fra solen. Selv din egen kropp genererer fotoner, men helt ned i infrarøde energier, så du trenger nattsynsbriller for å se dem. Men de er fremdeles der.
Og selvfølgelig bombarderer alle radiobølgene og ultrafiolette strålene og alle de andre strålene deg konstant og alt annet med en endeløs strøm av fotoner.
Det er fotoner overalt.
Disse små lyspakkene er ikke ment å samhandle med hverandre, og har i grunnen ingen "bevissthet" om at de andre til og med eksisterer. Fysikkens lover er slik at det ene fotonet bare går forbi en annen med null interaksjon.
Det var det fysikere i det minste trodde. Men i et nytt eksperiment inne i verdens mektigste atomutvikler, fikk forskere et glimt av det umulige: fotoner som støter i hverandre. Fangsten? Disse fotonene var litt utenfor spillet, noe som betyr at de ikke opptrådte som seg selv og i stedet hadde blitt "virtuelle" midlertidig. Ved å studere disse supers sjeldne interaksjonene håper fysikere å avsløre noen av de grunnleggende egenskapene til lys og muligens til og med oppdage ny høyenergifysikk, som store enhetlige teorier og (kanskje) supersymmetri.
En lett berøring
Vanligvis er det en god ting at fotoner ikke samhandler med hverandre eller spretter av hverandre, fordi det ville være et totalt galskap med fotoner som aldri kommer noe sted i noen form for rett linje. Så heldigvis vil to fotoner bare gli ved hverandre som om den andre ikke en gang eksisterte.
Det vil si mesteparten av tiden.
I høyenergi-eksperimenter kan vi (med mye albuefett) få to fotoner til å slå hverandre, selv om dette skjer veldig sjelden. Fysikere er interessert i denne typen prosesser fordi den avslører noen veldig dype egenskaper ved selve lysets natur og kan bidra til å avdekke litt uventet fysikk.
Fotoner interagerer så sjelden med hverandre fordi de bare kobler til partikler som har elektriske ladninger. Det er bare en av universets regler som vi må leve etter. Men hvis dette er universets styre, hvordan kan vi da noen gang få to fotoner, som ikke har noen lading, til å få forbindelse med hverandre?
Når et foton ikke er det
Svaret ligger i en av de mest ubeskjedelige og likevel deilige aspektene ved moderne fysikk, og den går under det funky navnet på kvanteelektrodynamikk.
På dette bildet av den subatomære verdenen er ikke fotonen nødvendigvis et foton. Vel, i det minste er det ikke alltid et foton. Partikler som elektroner og fotoner og alle de andre -onsene vipper kontinuerlig frem og tilbake, og endrer identitet når de ferdes. Det virker forvirrende med det første: Hvordan kunne en lysstråle si noe annet enn en lysstråle?
For å forstå denne galne oppførselen, må vi utvide bevisstheten vår litt (for å låne et uttrykk).
Når det gjelder fotoner, når de ferdes, en gang i blant (og husk at dette er ekstremt, ekstremt sjeldent), kan man ombestemme seg. Og i stedet for å bare være et foton, kan det bli et par partikler, et negativt ladet elektron og et positivt ladet positron (elektronets antimateriellpartner), som reiser sammen.
Blink og du vil savne det, fordi positronen og elektronet vil finne hverandre, og som skjer når materie og antimaterie møtes, ødelegger de. Det rare paret vil slå tilbake til et foton.
Av forskjellige grunner som er altfor kompliserte til å komme inn akkurat nå, når dette skjer, kalles disse parene virtuelle partikler. Det er nok å si at du i nesten alle tilfeller aldri kommer til å samhandle med de virtuelle partiklene (i dette tilfellet positronen og elektronet), og du bare noen gang får snakke med fotonet.
Men ikke i alle tilfeller.
Et lys i mørket
I en serie eksperimenter i regi av ATLAS-samarbeidet ved Large Hadron Collider under den fransk-sveitsiske grensen og nylig ble sendt til det elektroniske fortrykkstidsskriftet arXiv, brukte teamet altfor mye tid på å smelle blykjerner i hverandre på nesten lysets hastighet . Imidlertid lot de faktisk ikke blypartiklene treffe hverandre; i stedet kom bitene veldig, veldig, veldig, veldig nært.
På denne måten, i stedet for å måtte takle et gigantisk rot av en kollisjon, inkludert mange ekstra partikler, krefter og energier, samhandlet blyatomer bare via den elektromagnetiske kraften. Med andre ord byttet de bare ut en hel masse fotoner.
Og en gang iblant - ekstremt, utrolig sjelden - ville en av disse fotonene kort bli til et par bestående av en positron og et elektron; så ville en annen foton se en av de positive eller elektronene og snakke med den. Et samspill ville oppstå.
Nå, i dette samspillet, støter fotonen bare på elektronet eller positronen og går av på sin lystige vei uten skade. Etter hvert finner den positronen eller elektronet sin kamerat og vender tilbake til å være et foton, så resultatet av to fotoner som treffer hverandre, er bare to fotoner som spretter av hverandre. Men at de i det hele tatt var i stand til å snakke med hverandre, er oppsiktsvekkende.
Hvor bemerkelsesverdig? Vel, etter billioner på billioner av kollisjoner, oppdaget teamet totalt 59 potensielle kryss. Bare 59.
Men hva forteller de 59 interaksjonene oss om universet? For det første validerer de dette bildet at et foton ikke alltid er et foton.
Og ved å grave oss inn i kvantiteten til disse partiklene, kunne vi lære litt ny fysikk. For eksempel, i noen fancy modeller som skyver grensene for kjent partikkelfysikk, oppstår disse fotoninteraksjonene i litt forskjellige hastigheter, noe som potensielt gir oss en måte å utforske og teste disse modellene. Akkurat nå har vi ikke nok data til å fortelle forskjellene mellom noen av disse modellene. Men nå som teknikken er etablert, kan det hende at vi bare gjør noe.
Og du må unnskylde den veldig åpenbare lukkingen her, men forhåpentligvis kan vi kaste lys over situasjonen.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av "Spør en Spaceman" og "Romradio,"og forfatter av"Din plass i universet."
