Farkında olmadığınız takdirde, fotonlar ufak küçük ışık parçalarıdır. Aslında, mümkün olan en küçük ışık parçasıdırlar. Bir lambayı açtığınızda, o ampulden devasa sayıda foton yayılır ve retinanız tarafından emilir ve ne yaptığınızı görebilmeniz için elektrik sinyaline dönüşür.
Böylece, her seferinde sizi çevreleyen kaç fotonun olduğunu hayal edebilirsiniz. Sadece odanızdaki ışıklardan değil, fotonlar güneşten gelen pencereden de akar. Kendi vücudunuz bile fotonlar üretir, ancak kızılötesi enerjilerde aşağı iner, bu yüzden onları görmek için gece görüş gözlüklerine ihtiyacınız vardır. Ama hala oradalar.
Ve elbette, tüm radyo dalgaları ve ultraviyole ışınları ve diğer tüm ışınlar sizi ve diğer her şeyi sonsuz bir foton akışı ile sürekli olarak bombalar.
Her yerde fotonlar var.
Bu küçük ışık paketlerinin birbirleriyle etkileşime girmesi gerekmez, aslında diğerlerinin bile var olduğu “farkındalığı” yoktur. Fizik yasaları öyle ki, bir foton sıfır etkileşim ile diğerinden geçer.
En azından fizikçiler böyle düşünüyordu. Ancak, dünyanın en güçlü atom parçalayıcısının içindeki yeni bir deneyde, araştırmacılar imkansıza bir göz attı: fotonlar birbirine çarptı. Yakalayış? Bu fotonlar oyunlarından biraz uzak kaldılar, yani kendileri gibi davranmadılar ve geçici olarak "sanal" oldular. Bu süper nadir etkileşimleri inceleyerek, fizikçiler ışığın bazı temel özelliklerini ortaya çıkarmayı ve hatta büyük birleşik teoriler ve (belki) süpersimetri gibi yeni yüksek enerjili fiziği keşfetmeyi umuyorlar.
Hafif bir dokunuş
Genellikle, fotonların birbirleriyle etkileşime girmemesi veya birbirinden zıplamaması iyi bir şeydir, çünkü bu, fotonların herhangi bir düz çizgide hiçbir yere gitmeyeceği toplam bir tımarhane olacaktır. Neyse ki, iki foton sanki diğeri yokmuş gibi birbirleri tarafından kayacak.
Çoğu zaman.
Yüksek enerjili deneylerde, (çok fazla dirsek yağı ile) iki fotonun birbirine çarpmasını sağlayabiliriz, ancak bu çok nadiren olur. Fizikçiler bu tür bir süreçle ilgilenirler, çünkü ışığın doğasının bazı çok derin özelliklerini ortaya çıkarır ve bazı beklenmedik fiziği ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir.
Fotonlar birbirleriyle çok nadiren etkileşirler, çünkü sadece elektrik yükü olan parçacıklara bağlanırlar. Bu, yaşamamız gereken evrenin kurallarından sadece bir tanesidir. Ama eğer bu evrenin kuralıysa, o zaman birbirleriyle bağlantı kurmak zorunda olmayan iki foton nasıl alabiliriz?
Bir foton olmadığında
Cevap, modern fiziğin en anlaşılmaz ve yine de lezzetli yönlerinden birinde yatmaktadır ve kuantum elektrodinamiğinin korkak ismi ile gider.
Atomaltı dünyasının bu resminde, foton mutlaka bir foton değildir. En azından, her zaman bir foton değildir. Elektronlar ve fotonlar gibi parçacıklar ve diğerleri - seyahat ederken kimlikleri sürekli olarak ileri geri çevirirler. İlk başta kafa karıştırıcı gibi görünüyor: Nasıl bir ışık huzmesi bir ışık huzmesinden başka bir şey olabilir?
Bu tuhaf davranışı anlamak için, bilincimizi biraz genişletmeliyiz (bir ifade ödünç almak için).
Fotonlar söz konusu olduğunda, seyahat ederken, arada bir (ve bunun son derece, son derece nadir olduğunu unutmayın), fikrini değiştirebilir. Ve sadece bir foton olmak yerine, birlikte hareket eden bir çift parçacık, negatif yüklü bir elektron ve pozitif yüklü bir pozitron (elektronun antimadde ortağı) olabilir.
Göz kırpın ve özleyeceksiniz, çünkü pozitron ve elektron birbirini bulacaklar ve madde ve antimadde buluştuğunda olduğu gibi, imha ediyorlar, puflar. Tek çift bir foton haline dönecektir.
Şu anda girmek için çok karmaşık olan çeşitli nedenlerden dolayı, bu olduğunda, bu çiftlere sanal parçacıklar denir. Hemen hemen her durumda sanal parçacıklarla (bu durumda pozitron ve elektron) asla etkileşime giremeyeceğinizi ve sadece fotonla konuştuğunuzu söylemek yeterlidir.
Ama her durumda değil.
Karanlıkta bir ışık
Fransız-İsviçre sınırının altındaki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda ATLAS işbirliğiyle yürütülen ve yakın zamanda çevrimiçi baskı öncesi dergisi arXiv'e gönderilen bir dizi deneyde, ekip kurşun çekirdeklerini neredeyse ışık hızında birbirine çarparak çok fazla zaman harcadı . Ancak, kurşun parçacıklarının birbirine çarpmasına izin vermediler; bunun yerine, bitler çok, çok, çok, çok yakın geldi.
Bu şekilde, çok fazla parçacık, kuvvet ve enerjiyi içeren devasa bir çarpışma karmaşasıyla uğraşmak yerine, kurşun atomlar elektromanyetik kuvvetle etkileşime girdi. Başka bir deyişle, çok sayıda foton değiş tokuş ettiler.
Ve arada bir - son derece, inanılmaz derecede nadiren - bu fotonlardan biri kısa bir süre pozitron ve elektrondan oluşan bir çifte dönüşür; sonra, başka bir foton bu pozitronlardan veya elektronlardan birini görür ve onunla konuşurdu. Bir etkileşim olurdu.
Şimdi, bu etkileşimde, foton sadece elektrona veya pozitrona çarpıyor ve herhangi bir zarar vermeden neşeli yoluna devam ediyor. Sonunda, bu pozitron veya elektron eşini bulur ve bir foton olmaya geri döner, bu yüzden birbirlerine vuran iki fotonun sonucu birbirinden sıçrayan iki fotondur. Ancak birbirleriyle konuşabildikleri dikkat çekicidir.
Ne kadar dikkat çekici? Trilyonlarca çarpışma üzerine trilyonlardan sonra, ekip toplam 59 potansiyel kavşak tespit etti. Sadece 59.
Fakat bu 59 etkileşim bize evren hakkında ne anlatıyor? Birincisi, bu resmi bir fotonun her zaman bir foton olmadığını doğrularlar.
Ve bu parçacıkların kuantum doğasını inceleyerek yeni fizik öğrenebiliriz. Örneğin, bilinen parçacık fiziğinin sınırlarını zorlayan bazı süslü modellerde, bu foton etkileşimleri biraz farklı oranlarda gerçekleşir ve bu da bize potansiyel olarak bu modelleri keşfetme ve test etme yolu verir. Şu anda, bu modellerden herhangi biri arasındaki farkları anlatacak yeterli veriye sahip değiliz. Ama şimdi teknik belirlendiğine göre, biraz ilerleyebiliriz.
Ve burada çok açık kapanış konuşmasını mazur görmeniz gerekecek, ancak umarım yakında duruma biraz ışık tutabiliriz.
Paul M. Sutter astrofizikçi Ohio Eyalet Üniversitesi, birşeyin sahibi "Bir Uzay Adamına Sorun" ve "Uzay Radyosu,"ve yazarı"Evrendeki Yeriniz."
