無窮盡的光子正在影響你周圍的一切,高能實驗發現了什麼?
我們普通人無法想象一件客觀存在的事實:無論在任何時候,到底有多少光子在我們的周圍。雖然,科學家們也只有通過夜視鏡才能看到它們,但卻絲毫不影響它們的存在,並且到處都是光子。在物理定律中,這樣的一個光子只是另一個傳遞零互動,這些小光束之間本不應該有相互作用。然而,在強大的原子粉碎機進行的一個新實驗中,科學家們看到原本不可能發生的事,這就是光子相互撞擊這件事。
無窮盡的光子正在影響你周圍的一切對於我們普通人現實生活中燈光的使用,通常都是在夜幕降臨之後,它可以照亮我們回家的路。當你打開一盞燈的時候,從燈泡中彈出的巨大數量光子會撞到我們眼睛。在這裏,它們被你的視網膜吸收,而後變成電信號。這就是為什麼你可以看到自己在做什麼,以及周圍的一切正在發生的事。
如果你沒有意識到光子是微小的光點,實際上,它們也是可能的最小光。除了房間的燈光,光子還能通過太陽流入窗户,哪怕是我們自己最熟悉的身體,也會產生光子,這些紅外能力並不是我們肉眼可以看出的。其實,所有紫外線、無線電波和其他光線,都在不斷地用無窮盡的光子轟擊你和你周圍的一切事物。
在一般情況下,光子之間是不會有相互作用或相互反彈的,因為這將是一個完整的特殊聚集,這可以説是一件好事,光子永遠不會在任何直線上移動。這也是為什麼兩個光子簡單的相互滑動並沒有受到影響,甚至就像另一個光子不曾存在過一樣。當然,這就是物理現象中的大多數時候。
在目前世界上最強大的原子粉碎機新實驗中,科學家們發現了一個在物理學家看來不可能的事:光子相互撞擊。這些被發現的光子偏離了它們遊戲,變得不像自己那樣表現出奇異的行為,暫時變成了“虛擬”。這些相互作用實屬罕見,物理學家們希望藉此揭示光的一些基本屬性,甚至是發現新的高能物理學,比如,超對稱性和大統一理論等。
因為,這樣特定的情況本身發生概率較低,所以,科學家們要在高能實驗中得到兩個光子相互撞擊已經是一件困難的事。但是,為了揭示光本身的一些非常深的屬性,以及發現一些大家可能意想不到的物理學內容。所以,科學家們對這樣充滿挑戰的過程卻充滿了興趣。
我們都知道光子只和具有電荷的粒子相連,彼此之間是很少相互作用的。當然,這也是我們必須遵循的宇宙規則之一。但如果這是宇宙的規則,那麼我們怎麼得到了兩個沒有電荷的光子相互關聯起來了呢?這個問題的答案在於現代物理學中最難以理解卻最誘人的一個方面,它源於量子電動力學的時髦名稱。
在亞原子這個世界的圖片中,所謂的光子並不一定還是光子,可能在它們的旅行中改變了自己的身份。簡而言之,它並不總是光子,就像電子和光子這樣的粒子,以及所有其他粒子不斷地來回翻轉,在一開始看起來就特別混亂,比如:光束為什麼可能不是光束?為了幫助理解這樣古怪的行為,我們需要借用表達式來稍微拓展我們的意識。
其實,在光子的情況下,只要它們開始旅行,雖然非常罕見,但卻也能偶爾改變它的想法。它不再僅僅是一個光子,可以在這樣的特定環境下變成一對粒子,並且還是帶負電的電子和帶正電的正電子,它們是電子的反物質夥伴,而後開始一起傳播。而後,正電子和電子會相互發現,就像反物質和物質相遇會發生的那樣,它們會消滅,然後奇數對將變回光子。
通常,我們管這種情況叫做虛擬粒子,因為原因複雜多樣,並且無法立即進入,當這樣的情況發生的時候,也可以説幾乎所有情況下,你永遠不會和虛擬粒子進行交互。這樣的情況下,實質也是正電子和電子在進行交互,而你只能和光子交談,雖然並不是所有情況下都是如此。
在大型強子對撞機上進行的一系列實驗中,研究團隊花費了太多時間以接近光速的速度將鉛核撞擊到彼此,當然,這並不是鉛顆粒之間的相互撞擊,而是這些比特非常接近。鉛原子需要通過電磁力來進行相互作用,整個過程中都不需要處理巨大的碰撞,這其中包括其他粒子、力和能量。也就是説,它們只是交換了很多光子。
每間隔一段時間(極少情況下),這些光子中的一個會短暫地變成由電子和正電子組成的一對,然後,另一個光子會看到其中一個電子或正電子,而後與其交談併發生互動。也就是説,在這樣的相互作用之中,光子所碰撞到的只是正電子或電子,而後在沒有任何傷害的情況下熄滅。電子或者正電子,最終都找到了它的配偶,並返回到光子。
所以,兩個光子相互撞擊的結果,只是兩個光子之間的相互反彈,但僅僅是相互交談這個動作就已經非常了不起。到底有多了不起?經過了數億次碰撞,研究團隊檢測出了59個潛在交叉路口。這59個相互作用告訴我們宇宙的光子並不總是光子,我們通過深入研究這些粒子的量子特性,就可以學到一些新的物理學知識。
比如:在一些特定推動已知粒子物理學界限的奇特模型中,這些光子相互作用發生率會有所不同,這便有可能為我們提供探索和測試這些模型的方法。雖然,目前我們並沒有足夠數據可以説明哪些不同模型之間的差異,但技術已然建立,我們便有了取得進展的可能。希望很快,我們就可以對這些特殊的情況有所瞭解。