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                原子對撞機中發現不可能現象:光子之間竟會發生互動

                北極蚊子 2019-4-28 14:36

                你可能沒意識到,光子其實是一小片、一小片的光。事實上,光子是光能夠分成的最小片段。你打開燈的一瞬間,無數的光子從燈泡中噴涌而出、一股腦地涌進你的眼睛里,然后被你的視網膜吸收、再轉變為電信號,這樣你就能看到眼前的事物了。

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                你可以想象一下,就在此時此刻,自己身邊圍繞著多少光子。這些光子不僅來自你房間里的燈,還包括透過窗戶進入室內、來自太陽的光子。就連你自己的身體也會產生光子,只不過是以紅外能量的形式發散出來,需要用夜視鏡才能看見。

                當然了,所有射電波、紫外線、以及其它各種射線也都無時無刻不在“轟炸”你,這些都是綿延不絕的光子流。

                簡而言之,到處都有光子的存在。

                這些光的細小片段本不應與彼此發生相互作用,甚至“意識不到”其它光子的存在。按照物理法則,一個光子在與另一個光子擦肩而過時,不會發生任何互動。

                至少物理學家過去是這么認為的。但在全世界最強大的原子對撞機中開展的一項新實驗中,研究人員短暫地觀察到了一種不可能發生的現象:光子竟然相撞了。這里面究竟有何蹊蹺?這些光子有些違反常理,行為表現不像正常的光子,反倒短暫地變成了“虛粒子”。通過研究這些極其罕見的相互作用,物理學家希望進一步揭露光的基本性質,甚至發現全新的高能物理法則,如大一統理論和超對稱理論等。

                輕輕一碰

                通常來說,光子不會彼此互動、或相互碰撞是件好事,否則光子就永遠無法直線前進了,一切也就亂了套。還好,兩個光子通常都會徑直擦肩而過,仿佛對方不存在一樣,這是大部分情況下出現的情況。

                在高能實驗中,我們通過努力,可以讓兩個光子相撞,不過這種情況發生的概率極小。物理學家對這類過程很感興趣,因為它能夠揭露光的深層本質,還能幫助我們發現一些預料之外的物理現象。

                光子之間極少發生相互作用,是因為它們只會與帶電荷的粒子相互聯結。這是宇宙的自有規律,我們無法左右。但假如這就是宇宙規律,我們又如何才能讓兩個不帶電荷的光子聯結在一起呢?

                光子是什么?

                這個問題的答案埋藏在現代物理學最神秘難解、但又最引人入勝的領域之一中。這個領域有一個非常時髦的名字——量子電動力學。

                在亞原子世界中,光子不一定是光子,或者說,不一定永遠都是光子。像電子、光子等粒子會在運動過程中不斷切換“身份”。乍看之下,這似乎有點讓人摸不著頭腦:一束光除了一束光之外,還可能是什么呢?

                要理解這種奇異行為,我們要稍微擴展一下自己的思維。

                就光子來說,在它們的運動過程中,偶爾(一定要記住,這種情況極其、極其罕見)會有一個光子改變想法。它可能不再是一個粒子,而是變成一對粒子,由一個負電荷的電子和一個帶正電荷的“正電子”(即電子的反物質)構成,一起向前運動,但這種情況轉瞬即逝,因為正負電子總會相遇。一旦相遇,它們就會立即湮滅,變回光子。

                出于各種復雜原因,發生這種現象時,這些粒子對被稱作“虛粒子”?梢哉f,在絕大多數情況下,你永遠不會與虛粒子發生相互作用,只能接觸到光子,但并非在所有情況下都是如此。

                黑暗中的一線光明

                在位于法國和瑞士邊境地下的大學強子對撞機的ATLAS儀器開展的一系列實驗中,研究團隊花了大量時間、讓鉛原子核以接近光速的速度相撞。但事實上,他們并沒能讓鉛原子核撞在一起。這些粒子之間只是靠得非常、非常、非常、非常近而已。

                這樣一來,鉛原子只會通過電磁力發生作用,而不會涉及到膨脹帶來的一系列麻煩問題,如產生的一大堆新粒子、力和能量等等。換句話說,這些鉛原子核之間只是交換了大量光子而已。

                并且在極其罕見的情況下,其中某個光子可能會短暫地變成電子與正電子對。緊接著,另一個光子可能會與這個電子或正電子產生“交流”。這樣一來,就發生了相互作用。

                在這種相互作用過程中,光子僅僅是撞到了電子或正電子上,然后毫發無損,繼續走自己的路。而被撞的電子或正電子很快便會找到自己的伴侶,重新變回光子。所以兩個光子相撞后,它們只會從對方身上彈開,不會有什么影響。但這種交流本身就已經非常了不起了。

                有多了不起呢?這么說吧,這支研究團隊總共進行了數萬萬億次撞擊,總共只探測到了59次可能的碰撞,只有59次!

                但這59次互動透露了怎樣的宇宙信息呢?首先,它證實了“光子并不永遠是光子”這一點

                此外,通過深挖這些粒子的量子本質,我們還可以了解到一些新的物理知識。比如說,在一些試圖推動已知粒子物理邊界的精妙模型中,這些光子之間的互動發生的概率也略有不同。這或許能為我們提供一種探索和測試這些模型的方法。目前,我們還沒有足夠的數據,無法判斷這些模型之間的區別。但如今有了相應的技術,我們也許能有所推進。

                希望在不久的將來,我們真的能為目前這種“兩眼一抹黑”的情況帶來“一線光明”。


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