นักฟิสิกส์มองเห็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้: แสงที่กระทบกับแสง

ในกรณีที่คุณไม่รู้ตัวโฟตอนนั้นเป็นแสงเล็ก ๆ ในความเป็นจริงมันเป็นแสงที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้ เมื่อคุณเปิดหลอดไฟโฟตอนจำนวนมหาศาลจะพุ่งออกมาจากหลอดไฟแล้วสแลเข้าตาซึ่งจะถูกดูดซึมโดยเรตินาของคุณและเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อให้คุณเห็นสิ่งที่คุณกำลังทำอยู่

ดังนั้นคุณสามารถจินตนาการได้ว่ามีโฟตอนล้อมรอบคุณกี่ครั้ง ไม่เพียง แต่จากแสงไฟในห้องของคุณ แต่โฟตอนยังไหลผ่านหน้าต่างจากดวงอาทิตย์ แม้แต่ร่างกายของคุณเองก็สร้างโฟตอน แต่ลงไปในพลังงานอินฟราเรดดังนั้นคุณต้องใช้แว่นตามองกลางคืนในการมองเห็น แต่พวกเขายังคงอยู่ที่นั่น

และแน่นอนว่าคลื่นวิทยุและรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีอื่น ๆ ทั้งหมดส่งผลต่อคุณและทุกสิ่งอย่างต่อเนื่องด้วยโฟตอนที่ไม่มีที่สิ้นสุด

มันโฟตอนได้ทุกที่

กลุ่มของแสงเล็ก ๆ เหล่านี้ไม่ควรที่จะมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันโดยพื้นฐานแล้วไม่มี "การรับรู้" ที่คนอื่นมีอยู่ กฎของฟิสิกส์เป็นเช่นนั้นโฟตอนหนึ่งผ่านอีกโดยไม่มีการโต้ตอบ

นั่นคือสิ่งที่นักฟิสิกส์คิดอย่างน้อย แต่ในการทดลองใหม่ภายในเครื่องตีอะตอมที่ทรงพลังที่สุดนักวิจัยได้เหลือบของสิ่งที่เป็นไปไม่ได้: โฟตอนกระแทกเข้าหากัน จับ? โฟตอนเหล่านี้เป็นเกมเล็ก ๆ น้อย ๆ ของพวกเขาซึ่งหมายความว่าพวกเขาไม่ได้ทำตัวเหมือนตัวเองและกลายเป็น "เสมือนจริง" ชั่วคราว จากการศึกษาปฏิสัมพันธ์ที่หายากเหล่านี้นักฟิสิกส์หวังว่าจะเปิดเผยคุณสมบัติพื้นฐานของแสงบางอย่างและอาจจะค้นพบฟิสิกส์พลังงานสูงใหม่เช่นทฤษฎีแบบครบวงจรที่ยิ่งใหญ่และ (อาจ) ความเหนือชั้น

สัมผัสเบา ๆ

โดยปกติแล้วมันเป็นสิ่งที่ดีที่โฟตอนไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์กับคนอื่นหรือกระเด้งกันและกันเพราะนั่นจะเป็นโรงบ้าโดยรวมกับโฟตอนที่ไม่เคยไปไหนในแนวเส้นตรงใด ๆ ดังนั้นโชคดีที่โฟตอนสองใบจะหลุดจากกันราวกับว่าอีกคนนั้นไม่มีอยู่จริง

นั่นคือส่วนใหญ่เวลา

ในการทดลองพลังงานสูงเราสามารถ (ด้วยจาระบีข้อศอกจำนวนมาก) ทำให้มีโฟตอนสองอันมาชนกันแม้ว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นน้อยมาก นักฟิสิกส์สนใจกระบวนการประเภทนี้เพราะมันเผยให้เห็นคุณสมบัติที่ลึกมากของธรรมชาติของแสงเองและสามารถช่วยเปิดเผยฟิสิกส์ที่ไม่คาดคิดได้

โฟตอนไม่ค่อยมีปฏิสัมพันธ์กับกันและกันเพราะพวกมันเชื่อมต่อกับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเท่านั้น มันเป็นเพียงหนึ่งในกฎของจักรวาลที่เราต้องอยู่ด้วย แต่ถ้านี่เป็นกฎของจักรวาลเราจะได้รับโฟตอนสองตัวที่ไม่มีค่าใช้จ่ายในการเชื่อมต่อซึ่งกันและกันได้อย่างไร

เมื่อโฟตอนไม่ใช่

คำตอบนั้นอยู่ในหนึ่งในแง่มุมที่ไม่น่าเชื่อและน่าสนใจที่สุดของฟิสิกส์สมัยใหม่และมันใช้ชื่อแปลก ๆ ของไฟฟ้ากระแสควอนตัม

ในภาพของโลกของอะตอมย่อยโฟตอนนั้นไม่จำเป็นต้องเป็นโฟตอน อย่างน้อยก็ไม่ใช่โฟตอนเสมอไป อนุภาคอย่างอิเล็กตรอนและโฟตอนและสิ่งอื่น ๆ ทั้งหมดนั้นกลับไปกลับมาอย่างต่อเนื่องเปลี่ยนสถานะเมื่อพวกเขาเดินทาง ดูเหมือนจะสับสนในตอนแรก: พูดได้ว่าลำแสงเป็นยังไงนอกจากลำแสง?

เพื่อที่จะเข้าใจพฤติกรรมที่แปลกประหลาดนี้เราจำเป็นต้องขยายจิตสำนึกของเราเล็กน้อย (ยืมการแสดงออก)

ในกรณีของโฟตอนขณะที่พวกเขาเดินทางทุกครั้ง (และจำไว้ว่านี่เป็นสิ่งที่หายากมาก) ผู้คนสามารถเปลี่ยนใจได้ และแทนที่จะเป็นแค่โฟตอนมันสามารถกลายเป็นคู่ของอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโพสิตรอนที่มีประจุบวก (พันธมิตรปฏิสสารของอิเล็กตรอน) ที่เดินทางไปด้วยกัน

กระพริบตาและคุณจะพลาดเพราะโพซิตรอนและอิเล็กตรอนจะพบกันและเมื่อเกิดเรื่องขึ้นเมื่อสสารและปฏิสสารเกิดการปะทะกัน คู่คี่จะเปลี่ยนกลับเป็นโฟตอน

ด้วยเหตุผลต่าง ๆ ที่ซับซ้อนเกินกว่าจะเข้าไปในตอนนี้เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นคู่เหล่านี้เรียกว่าอนุภาคเสมือน พอจะพูดได้ว่าในเกือบทุกกรณีคุณไม่เคยมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคเสมือน (ในกรณีนี้คือโพซิตรอนและอิเล็กตรอน) และคุณจะได้คุยกับโฟตอนเท่านั้น

แต่ไม่ใช่ในทุกกรณี

แสงสว่างในความมืด

ในชุดการทดลองที่ดำเนินการโดยการทำงานร่วมกันของ ATLAS ที่ Large Hadron Collider ภายใต้ชายแดนฝรั่งเศส - สวิสและเมื่อเร็ว ๆ นี้ได้ถูกส่งไปยังวารสาร pre-online arXiv ทีมได้ใช้เวลามากเกินไปในการกระแทกนิวเคลียสตะกั่วเข้าหากันด้วยความเร็วแสง . อย่างไรก็ตามพวกเขาไม่ยอมให้อนุภาคตะกั่วกระทบซึ่งกันและกัน แต่บิตเพิ่งเข้ามาใกล้มากมาก

ด้วยวิธีนี้แทนที่จะต้องจัดการกับความยุ่งเหยิงขนาดมหึมาของการชนรวมถึงอนุภาคพิเศษจำนวนมากแรงและพลังงานอะตอมตะกั่วก็แค่โต้ตอบผ่านแรงแม่เหล็กไฟฟ้า กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกเขาเพียงแลกเปลี่ยนโฟตอนมากมาย

และทุกครั้งที่น้อยมากอย่างไม่น่าเชื่อโฟตอนหนึ่งในนั้นจะกลายเป็นคู่ประกอบด้วยโพซิตรอนและอิเล็กตรอน จากนั้นโฟตอนอีกอันจะเห็นหนึ่งในโพสิตรอนหรืออิเล็กตรอนเหล่านั้นแล้วพูดคุยกับมัน การโต้ตอบจะเกิดขึ้น

ตอนนี้ในการโต้ตอบนี้โฟตอนก็กระแทกเข้ากับอิเล็กตรอนหรือโพซิตรอนและออกไปอย่างร่าเริงโดยไม่มีอันตรายใด ๆ ในที่สุดโพซิตรอนหรืออิเล็กตรอนจะพบคู่ของมันและกลับมาเป็นโฟตอนดังนั้นผลของโฟตอนสองอันที่กระทบกันเป็นเพียงโฟตอนสองตัวที่กระดอนกัน แต่พวกเขาสามารถพูดคุยกันได้อย่างน่าทึ่ง

น่าทึ่งแค่ไหน? หลังจากการชนหลายล้านล้านครั้งทีมพบว่ามีทางแยกทั้งหมด 59 ครั้ง เพียง 59

แต่ปฏิกิริยา 59 ชนิดนี้บอกอะไรเราเกี่ยวกับจักรวาล? สำหรับหนึ่งพวกเขาตรวจสอบภาพนี้ว่าโฟตอนไม่ได้เป็นโฟตอนเสมอไป

และโดยการขุดเข้าไปในลักษณะควอนตัมของอนุภาคเหล่านี้เราสามารถเรียนรู้ฟิสิกส์ใหม่ ๆ ตัวอย่างเช่นในบางรุ่นแฟนซีที่ผลักดันขอบเขตของฟิสิกส์อนุภาคที่รู้จักการปฏิสัมพันธ์โฟตอนเหล่านี้เกิดขึ้นในอัตราที่แตกต่างกันเล็กน้อยอาจทำให้เรามีวิธีการสำรวจและทดสอบแบบจำลองเหล่านี้ ตอนนี้เราไม่มีข้อมูลเพียงพอที่จะบอกความแตกต่างระหว่างโมเดลเหล่านี้ แต่ตอนนี้เทคนิคนี้ได้ถูกสร้างขึ้นเราอาจสร้างความคืบหน้า

และคุณจะต้องแก้ตัวการปิดที่ชัดเจนมากที่นี่ แต่หวังว่าในไม่ช้าเราจะสามารถเข้าใจถึงสถานการณ์

Paul M. Sutter เป็นนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอโฮสต์ของ "ถามนักบินอวกาศ" และ "วิทยุอวกาศ"และผู้แต่ง"สถานที่ของคุณในจักรวาล."