Falls Sie es nicht bemerkt haben, sind Photonen winzige Lichtflecken. Tatsächlich sind sie das kleinstmögliche Licht. Wenn Sie eine Lampe einschalten, springen gigantische Photonen aus dieser Glühbirne und schlagen in Ihre Augen, wo sie von Ihrer Netzhaut absorbiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, damit Sie sehen können, was Sie tun.
Sie können sich also vorstellen, wie viele Photonen Sie gleichzeitig umgeben. Nicht nur von den Lichtern in Ihrem Zimmer, sondern auch von der Sonne strömen Photonen durch das Fenster. Sogar Ihr eigener Körper erzeugt Photonen, jedoch bis hinunter in die Infrarotenergien. Sie benötigen daher eine Nachtsichtbrille, um sie zu sehen. Aber sie sind immer noch da.
Und natürlich bombardieren alle Radiowellen und ultravioletten Strahlen und alle anderen Strahlen Sie und alles andere ständig mit einem endlosen Strom von Photonen.
Es sind überall Photonen.
Diese kleinen Lichtpakete sollen nicht miteinander interagieren und haben im Wesentlichen kein "Bewusstsein" dafür, dass die anderen überhaupt existieren. Die Gesetze der Physik sind so, dass ein Photon ohne Wechselwirkung an einem anderen vorbeigeht.
Das dachten zumindest die Physiker. In einem neuen Experiment im mächtigsten Atomzerstörer der Welt erhielten die Forscher einen Einblick in das Unmögliche: Photonen, die ineinander stoßen. Der Fang? Diese Photonen waren ein wenig von ihrem Spiel entfernt, was bedeutete, dass sie sich nicht wie sie selbst verhielten und stattdessen vorübergehend "virtuell" geworden waren. Durch das Studium dieser super-seltenen Wechselwirkungen hoffen die Physiker, einige der grundlegenden Eigenschaften des Lichts aufzudecken und möglicherweise sogar neue Hochenergiephysik zu entdecken, wie großartige einheitliche Theorien und (vielleicht) Supersymmetrie.
Eine leichte Berührung
Normalerweise ist es gut, dass Photonen nicht miteinander interagieren oder voneinander abprallen, denn das wäre ein totales Irrenhaus, in dem Photonen niemals in irgendeiner geraden Linie irgendwohin gehen. Zum Glück rutschen zwei Photonen einfach aneinander vorbei, als ob das andere gar nicht existiert hätte.
Das heißt, die meiste Zeit.
In Hochenergieexperimenten können wir (mit viel Ellbogenfett) zwei Photonen dazu bringen, sich gegenseitig zu treffen, obwohl dies sehr selten vorkommt. Physiker interessieren sich für diese Art von Prozess, weil er einige sehr tiefe Eigenschaften der Natur des Lichts selbst offenbart und dabei helfen könnte, unerwartete Physik aufzudecken.
Photonen interagieren so selten miteinander, weil sie sich nur mit Teilchen verbinden, die elektrische Ladungen haben. Es ist nur eine dieser Regeln des Universums, nach denen wir leben müssen. Aber wenn dies die Regel des Universums ist, wie könnten wir dann jemals zwei Photonen, die keine Ladung haben, dazu bringen, sich miteinander zu verbinden?
Wenn ein Photon nicht ist
Die Antwort liegt in einem der unergründlichsten und doch köstlichsten Aspekte der modernen Physik, und sie trägt den funkigen Namen Quantenelektrodynamik.
In diesem Bild der subatomaren Welt ist das Photon nicht unbedingt ein Photon. Zumindest ist es nicht immer ein Photon. Teilchen wie Elektronen und Photonen und alle anderen -ons drehen sich ständig hin und her und ändern ihre Identität, wenn sie sich fortbewegen. Es scheint zunächst verwirrend: Wie könnte beispielsweise ein Lichtstrahl etwas anderes als ein Lichtstrahl sein?
Um dieses verrückte Verhalten zu verstehen, müssen wir unser Bewusstsein ein wenig erweitern (um einen Ausdruck auszuleihen).
Im Falle von Photonen, wenn sie sich hin und wieder fortbewegen (und bedenken Sie, dass dies extrem, extrem selten ist), kann man seine Meinung ändern. Und anstatt nur ein Photon zu sein, kann es ein Teilchenpaar werden, ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes Positron (der Antimateriepartner des Elektrons), die sich zusammen bewegen.
Wenn Sie blinken, werden Sie es vermissen, denn das Positron und das Elektron werden sich finden, und wie es passiert, wenn sich Materie und Antimaterie treffen, vernichten sie sich. Das ungerade Paar verwandelt sich wieder in ein Photon.
Aus verschiedenen Gründen, die viel zu kompliziert sind, um jetzt darauf einzugehen, werden diese Paare in diesem Fall als virtuelle Partikel bezeichnet. Es genügt zu sagen, dass Sie in fast allen Fällen niemals mit den virtuellen Teilchen (in diesem Fall dem Positron und dem Elektron) interagieren und immer nur mit dem Photon sprechen können.
Aber nicht in jedem Fall.
Ein Licht im Dunkeln
In einer Reihe von Experimenten, die von der ATLAS-Kollaboration am Large Hadron Collider unterhalb der französisch-schweizerischen Grenze durchgeführt und kürzlich beim Online-Preprint-Journal arXiv eingereicht wurden, verbrachte das Team viel zu viel Zeit damit, Bleikerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ineinander zu schlagen . Sie ließen jedoch die Bleiteilchen nicht aufeinander treffen; Stattdessen kamen die Teile einfach sehr, sehr, sehr, sehr nahe.
Auf diese Weise interagierten die Bleiatome nur über die elektromagnetische Kraft, anstatt sich mit einem gigantischen Durcheinander einer Kollision befassen zu müssen, das viele zusätzliche Teilchen, Kräfte und Energien enthält. Mit anderen Worten, sie tauschten nur eine ganze Menge Photonen aus.
Und hin und wieder - extrem, unglaublich selten - verwandelte sich eines dieser Photonen kurz in ein Paar aus einem Positron und einem Elektron. dann würde ein anderes Photon eines dieser Positronen oder Elektronen sehen und mit ihm sprechen. Eine Interaktion würde auftreten.
Bei dieser Wechselwirkung stößt das Photon entweder gegen das Elektron oder gegen das Positron und geht auf seinem fröhlichen Weg ohne Schaden davon. Schließlich findet dieses Positron oder Elektron seinen Partner und wird wieder zu einem Photon. Das Ergebnis, wenn zwei Photonen aufeinander treffen, sind also nur zwei Photonen, die voneinander abprallen. Aber dass sie überhaupt miteinander reden konnten, ist bemerkenswert.
Wie bemerkenswert? Nun, nach Billionen von Billionen von Kollisionen entdeckte das Team insgesamt 59 mögliche Kreuzungen. Nur 59.
Aber was sagen uns diese 59 Interaktionen über das Universum? Zum einen bestätigen sie dieses Bild, dass ein Photon nicht immer ein Photon ist.
Und indem wir uns mit der Quantennatur dieser Teilchen befassen, können wir neue Physik lernen. In einigen ausgefallenen Modellen, die die Grenzen der bekannten Teilchenphysik überschreiten, treten diese Photonenwechselwirkungen beispielsweise mit leicht unterschiedlichen Raten auf, was uns möglicherweise die Möglichkeit gibt, diese Modelle zu untersuchen und zu testen. Derzeit verfügen wir nicht über genügend Daten, um die Unterschiede zwischen diesen Modellen festzustellen. Aber jetzt, da die Technik etabliert ist, könnten wir nur einige Fortschritte machen.
Und Sie müssen das sehr offensichtliche Schlusswortspiel hier entschuldigen, aber hoffentlich können wir bald etwas Licht in die Situation bringen.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von "Fragen Sie einen Raumfahrer" und "Weltraumradio,"und Autor von"Dein Platz im Universum."
