Thomas Dalton
0 
3919
978
Voor het geval je het je niet realiseerde, fotonen zijn kleine beetjes licht. In feite zijn ze het kleinst mogelijke licht. Wanneer je een lamp aanzet, springen gigantische aantallen fotonen uit die lamp en slaan ze in je ogen, waar ze worden geabsorbeerd door je netvlies en worden omgezet in een elektrisch signaal, zodat je kunt zien wat je doet.
U kunt zich dus voorstellen hoeveel fotonen u tegelijkertijd omringen. Niet alleen door de lampen in je kamer, maar ook door het raam stromen fotonen vanuit de zon naar binnen. Zelfs je eigen lichaam genereert fotonen, maar helemaal naar beneden in infrarode energieën, dus je hebt een nachtkijker nodig om ze te zien. Maar ze zijn er nog steeds.
En natuurlijk bombarderen alle radiogolven en ultraviolette stralen en alle andere stralen jou en al het andere constant met een eindeloze stroom fotonen.
Het zijn overal fotonen.
Deze kleine pakketjes licht horen niet met elkaar in wisselwerking te staan, omdat ze in wezen geen "besef" hebben dat de anderen zelfs bestaan. De wetten van de fysica zijn zodanig dat het ene foton gewoon langs het andere gaat zonder interactie. [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]
Dat dachten tenminste natuurkundigen. Maar in een nieuw experiment in 's werelds krachtigste atom-smasher, kregen onderzoekers een glimp van het onmogelijke: fotonen die tegen elkaar botsten. De vangst? Deze fotonen waren een beetje buiten hun spel, wat betekende dat ze zich niet als zichzelf gedroegen en in plaats daarvan tijdelijk 'virtueel' waren geworden. Door deze superzeldzame interacties te bestuderen, hopen natuurkundigen enkele van de fundamentele eigenschappen van licht te onthullen en mogelijk zelfs nieuwe hoogenergetische fysica te ontdekken, zoals grootse verenigde theorieën en (misschien) supersymmetrie..
Een lichte aanraking
Meestal is het een goede zaak dat fotonen geen interactie met elkaar hebben of tegen elkaar weerkaatsen, want dat zou een totaal gekkenhuis zijn met fotonen die nergens heen gaan in een rechte lijn. Gelukkig glippen twee fotonen gewoon langs elkaar alsof de andere niet eens bestond.
Dat is meestal.
Bij hoogenergetische experimenten kunnen we (met veel elleboogvet) twee fotonen op elkaar laten slaan, hoewel dit zeer zelden gebeurt. Natuurkundigen zijn geïnteresseerd in dit soort processen omdat het enkele zeer diepe eigenschappen van de aard van het licht zelf onthult en zou kunnen helpen om een aantal onverwachte fysica bloot te leggen. [18 keer kwantumdeeltjes bliezen ons op]
Fotonen hebben zo weinig interactie met elkaar omdat ze alleen verbinding maken met deeltjes die elektrische ladingen hebben. Het is slechts een van die regels van het universum waar we naar moeten leven. Maar als dit de regel van het universum is, hoe kunnen we dan ooit twee fotonen, die geen lading hebben, met elkaar verbinden??
Als een foton dat niet is
Het antwoord ligt in een van de meest ondoorgrondelijke en toch heerlijke aspecten van de moderne fysica, en het heet de funky naam van kwantumelektrodynamica.
Op deze foto van de subatomaire wereld is het foton niet noodzakelijk een foton. Nou ja, het is tenminste niet altijd een foton. Deeltjes zoals elektronen en fotonen en alle andere -onen draaien voortdurend heen en weer en veranderen van identiteit terwijl ze reizen. In het begin lijkt het verwarrend: hoe kan bijvoorbeeld een lichtstraal iets anders zijn dan een lichtstraal?
Om dit gekke gedrag te begrijpen, moeten we ons bewustzijn een beetje uitbreiden (om een uitdrukking te lenen).
In het geval van fotonen, terwijl ze af en toe reizen (en onthoud dat dit uiterst, uiterst zeldzaam is), kan men van gedachten veranderen. En in plaats van slechts een foton te zijn, kan het een paar deeltjes worden, een negatief geladen elektron en een positief geladen positron (de antimateriepartner van het elektron), die samen reizen.
Knipper en je zult het missen, want het positron en het elektron zullen elkaar vinden, en, zoals gebeurt wanneer materie en antimaterie elkaar ontmoeten, vernietigen ze, poef. Het oneven paar verandert weer in een foton.
Om verschillende redenen die veel te gecompliceerd zijn om nu op in te gaan, worden deze paren virtuele deeltjes genoemd als dit gebeurt. Het volstaat te zeggen dat je in bijna alle gevallen nooit interactie krijgt met de virtuele deeltjes (in dit geval het positron en elektron), en dat je alleen met het foton kunt praten..
Maar niet in alle gevallen.
Een licht in het donker
In een reeks experimenten uitgevoerd door de ATLAS-samenwerking bij de Large Hadron Collider onder de Frans-Zwitserse grens en onlangs ingediend bij het online preprint-tijdschrift arXiv, heeft het team veel te veel tijd besteed aan het met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar slaan van loodkernen. . Ze lieten de looddeeltjes elkaar echter niet echt raken; in plaats daarvan kwamen de stukjes gewoon heel, heel, heel, heel dichtbij. [Foto's: 's werelds grootste Atom Smasher (LHC)]
Op deze manier, in plaats van te maken te hebben met een gigantische puinhoop van een botsing, inclusief veel extra deeltjes, krachten en energieën, werkten de loodatomen gewoon samen via de elektromagnetische kracht. Met andere woorden, ze hebben gewoon heel veel fotonen uitgewisseld.
En af en toe - uiterst, ongelooflijk zelden - veranderde een van die fotonen even in een paar dat bestaat uit een positron en een elektron; dan zou een ander foton een van die positronen of elektronen zien en ermee praten. Er zou een interactie plaatsvinden.
Nu, in deze interactie, botst het foton gewoon op het elektron of het positron en gaat het zonder enige schade op zijn vrolijke weg. Uiteindelijk vindt dat positron of elektron zijn partner en keert het terug naar een foton, dus het resultaat van twee fotonen die elkaar raken, is slechts twee fotonen die van elkaar weerkaatsen. Maar dat ze überhaupt met elkaar konden praten, is opmerkelijk.
Hoe opmerkelijk? Welnu, na triljoenen en triljoenen botsingen heeft het team in totaal 59 mogelijke kruispunten ontdekt. Slechts 59.
Maar wat vertellen die 59 interacties ons over het universum? Ten eerste bevestigen ze dit beeld dat een foton niet altijd een foton is.
En door ons te verdiepen in de kwantum-aard van deze deeltjes, zouden we wat nieuwe fysica kunnen leren. In sommige fraaie modellen die de grenzen van bekende deeltjesfysica verleggen, vinden deze fotoninteracties bijvoorbeeld met iets verschillende snelheden plaats, waardoor we mogelijk een manier hebben om deze modellen te verkennen en te testen. Op dit moment hebben we niet genoeg gegevens om de verschillen tussen deze modellen te zien. Maar nu de techniek is vastgesteld, kunnen we misschien wat vooruitgang boeken.
En je zult de zeer voor de hand liggende slotwoordspeling hier moeten excuseren, maar hopelijk kunnen we binnenkort wat licht werpen op de situatie.
- De 12 vreemdste objecten in het heelal
- 9 cijfers die koeler zijn dan Pi
- Afbeelding: in 's werelds beste fysica-laboratoria
Paul M.Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van "Vraag een ruimteman" en "Space Radio,"en auteur van"Jouw plaats in het heelal."
Oorspronkelijk gepubliceerd op .