במקרה שלא הבנתם את זה, פוטונים הם פיסות אור קטנטנות. למעשה, הם מעט האור הקל ביותר האפשרי. כשאתה מדליק מנורה, מספר נפטרים ענקיים של פוטונים נובעים מאותה הנורה וזורקים לעיניים שלך, שם הם נקלטים ברשתית העין שלך והופכים לאות חשמלי כך שתוכל לראות מה אתה עושה.
אז אתה יכול לדמיין כמה פוטונים מקיפים אותך בכל פעם. לא רק מהאורות בחדר שלך, אלא שפוטונים נכנסים גם הם דרך החלון מהשמש. אפילו הגוף שלך מייצר פוטונים, אבל כל הדרך למטה באנרגיות אינפרא אדום, אז אתה צריך משקפי ראיית לילה כדי לראות אותם. אבל הם עדיין שם.
וכמובן, כל גלי הרדיו והקרניים האולטרה-סגולות וכל שאר הקרניים מפציצות אותך כל הזמן וכל השאר בזרם פוטונים בלתי נגמר.
זה פוטונים בכל מקום.
חבילות האור הקטנות הללו אינן אמורות לקיים אינטראקציה זו עם זו, ובעצם אין להן "מודעות" לכך שהאחרות אף קיימות. חוקי הפיזיקה הם כאלה שפוטון אחד פשוט עובר ליד אחר באפס אינטראקציה.
זה מה שפיזיקאים חשבו, לפחות. אך בניסוי חדש בתוך מפיצת האטומים החזקה בעולם, החוקרים קיבלו הצצה אל הבלתי אפשרי: פוטונים נתקלים זה בזה. המלכוד? הפוטונים האלה היו מעט מהמשחק שלהם, כלומר הם לא נהגו כמוהם ובמקום זאת הפכו באופן זמני ל"ווירטואליים ". על ידי לימוד האינטראקציות העל-נדירות הללו, פיזיקאים מקווים לחשוף כמה מהתכונות הבסיסיות של האור ואולי אף לגלות פיזיקה חדשה עם אנרגיה גבוהה, כמו תיאוריות אחידות מפוארות ואולי (סימטרית-על) עליונה.
מגע קל
בדרך כלל, דבר טוב שפוטונים אינם מתקשרים אחד עם השני או מקפצים אחד את השני, מכיוון שזה יהיה בית משוגעים מוחלט עם פוטונים שאינם הולכים לשום מקום בשום קו ישר. לכן, למרבה המזל, שני פוטונים פשוט יחליקו זה על זה כאילו השני אפילו לא קיים.
כלומר, רוב הזמן.
בניסויים בעלי אנרגיה גבוהה אנו יכולים (עם הרבה שומני מרפק) לגרום לשני פוטונים להכות זה בזה, אם כי זה קורה לעיתים רחוקות מאוד. פיזיקאים מעוניינים בתהליך מסוג זה מכיוון שהוא חושף כמה תכונות עמוקות מאוד של טבע האור עצמו ויכול לעזור לחשוף פיסיקה בלתי צפויה.
פוטונים לעתים נדירות מתקשרים זה עם זה מכיוון שהם מתחברים רק לחלקיקים שיש להם מטענים חשמליים. זה רק אחד מכללי היקום האלה שעלינו לחיות. אבל אם זה שלטונו של היקום, אז איך נוכל אי פעם להשיג שני פוטונים, שאין להם מטען, להתחבר זה עם זה?
כאשר פוטון אינו
התשובה נעוצה באחד ההיבטים הבלתי ניתנים לביצוע ועם זאת טעימים ביותר בפיזיקה המודרנית, והיא עוברת בשם הפאנקי של האלקטרודינמיקה הקוונטית.
בתמונה זו של העולם התת-אטומי, הפוטון אינו בהכרח פוטון. ובכן, לפחות, זה לא תמיד פוטון. חלקיקים כמו אלקטרונים ופוטונים וכל השאר - כל הזמן הופכים קדימה ואחורה, ומשנים זהויות במהלך נסיעתם. זה נראה מבלבל בהתחלה: כיצד יכול, למשל, קרן אור להיות כל דבר אחר מאשר קרן אור?
בכדי להבין את ההתנהגות המטורפת הזו עלינו להרחיב מעט את התודעה (לשאול ביטוי).
במקרה של פוטונים, בזמן שהם נוסעים, מדי פעם (ויש לזכור כי זה דבר מאוד נדיר ביותר), ניתן לשנות את דעתו. ובמקום להיות רק פוטון, זה יכול להפוך לזוג חלקיקים, לאלקטרון טעון שלילי ולפוזיטרון טעון באופן חיובי (בן הזוג האנטי-ממטר של האלקטרון), שנוסעים יחד.
תמצמצו ותתגעגעו לזה, כי הפוזיטרון והאלקטרונים ימצאו זה את זה, וכפי שקורה כשחומר ואנטי-חומר נפגשים, הם משמידים, פוף. הזוג המוזר יהפוך חזרה לפוטון.
מסיבות שונות המסובכות מדי להיכנס ברגע זה, כשזה קורה, זוגות אלה נקראים חלקיקים וירטואליים. די אם נאמר שכמעט בכל המקרים אתה אף פעם לא מצליח ליצור אינטראקציה עם החלקיקים הווירטואליים (במקרה זה, הפוזיטרון והאלקטרון), ואתה רק מדבר אי פעם עם הפוטון.
אבל לא בכל מקרה.
אור בחושך
בסדרת ניסויים שנערכו על ידי שיתוף הפעולה ATLAS בקולדר הדרדרון הגדול מתחת לגבול צרפת-שוויץ והוגשו לאחרונה לכתב העת המקדים להדפיס מקדים arXiv, הצוות העביר זמן רב מדי בהטסת גרעיני עופרת זה בזה כמעט במהירות האור . עם זאת, הם לא נתנו למעשה לחלקיקי העופרת לפגוע זה בזה; במקום זאת, הקטעים פשוט הגיעו מאוד, מאוד, מאוד, מאוד קרובים.
בדרך זו, במקום להתמודד עם בלגן ענקי של התנגשות, כולל הרבה חלקיקים, כוחות ואנרגיות נוספות, אטומי העופרת פשוט אינטראקציה באמצעות הכוח האלקטרומגנטי. במילים אחרות, הם פשוט החליפו המון פוטונים.
ומדי פעם - באופן נדיר ביותר, לעיתים רחוקות להפליא - אחד מאותם פוטונים היה הופך בקצרה לזוג המורכב מפוזיטרון ואלקטרון; ואז, פוטון אחר היה רואה את אחד מאותם פוזיטרונים או אלקטרונים ומדבר איתו. תתקיים אינטראקציה.
כעת, באינטראקציה הזו, הפוטון פשוט מתנגש באלקטרון או בפוזיטרון ויוצא לדרכו העליזה ללא שום נזק. בסופו של דבר, הפוזיטרון או האלקטרון הזה מוצא את בן זוגו וחוזר להיות פוטון, ולכן התוצאה של שני פוטונים שפוגעים זה בזה הם רק שני פוטונים הקופצים זה מזה. אבל זה שהם בכלל הצליחו לדבר אחד עם השני זה מדהים.
כמה מדהים? ובכן, אחרי טריליון טריליוני התנגשויות, הצוות גילה סך הכל 59 צומתים פוטנציאליים. רק 59.
אבל מה 59 האינטראקציות הללו מספרות לנו על היקום? ראשית, הם מאמתים תמונה זו שפוטון אינו תמיד פוטון.
ועל ידי נבירה בעצם הקוונטים של החלקיקים הללו, נוכל ללמוד קצת פיסיקה חדשה. לדוגמה, בחלק מהמודלים המפוארים הדוחפים את גבולות פיזיקת החלקיקים הידועים, אינטראקציות פוטון אלה מתרחשות בקצב שונה במקצת, מה שעשוי לתת לנו דרך לבחון ולבדוק מודלים אלה. נכון לעכשיו אין לנו מספיק נתונים כדי להבחין בהבדלים בין אף אחד מהמודלים הללו. אך כעת, עם הטמעה של הטכניקה, אנו עשויים פשוט להתקדם.
ואתם תצטרכו לתרץ כאן את משחק הנעילה המובהק מאוד, אך בתקווה בקרוב נוכל לשפוך מעט אור על המצב.
פול מ. סוטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו, מארח של "תשאל איש חלל" ו- "רדיו שטח,"ומחבר הספר"מקומך ביקום."
