Trong trường hợp bạn không nhận ra nó, photon là những mảnh ánh sáng nhỏ bé. Trên thực tế, chúng là chút ánh sáng nhỏ nhất có thể. Khi bạn bật đèn, một số lượng lớn photon phát ra từ bóng đèn đó và chiếu vào mắt bạn, nơi chúng được võng mạc của bạn hấp thụ và biến thành tín hiệu điện để bạn có thể thấy những gì bạn đang làm.
Vì vậy, bạn có thể tưởng tượng có bao nhiêu photon bao quanh bạn cùng một lúc. Không chỉ từ ánh sáng trong phòng của bạn, mà các photon cũng truyền qua cửa sổ từ mặt trời. Ngay cả cơ thể của chính bạn cũng tạo ra các photon, nhưng tất cả đều giảm năng lượng hồng ngoại, vì vậy bạn cần kính bảo hộ nhìn đêm để nhìn thấy chúng. Nhưng họ vẫn ở đó.
Và, tất nhiên, tất cả các sóng vô tuyến và tia cực tím và tất cả các tia khác liên tục bắn phá bạn và mọi thứ khác bằng một luồng photon vô tận.
Đó là photon ở khắp mọi nơi.
Những gói ánh sáng nhỏ này không được cho là tương tác với nhau, về cơ bản không có "nhận thức" rằng những thứ khác thậm chí còn tồn tại. Các định luật vật lý là một photon chỉ đi qua một khác với tương tác bằng không.
Đó là những gì các nhà vật lý nghĩ, ít nhất. Nhưng trong một thí nghiệm mới bên trong máy nghiền nguyên tử mạnh nhất thế giới, các nhà nghiên cứu đã có cái nhìn thoáng qua về điều không thể: các photon va vào nhau. Cuộc đuổi bắt? Những photon này hơi xa trò chơi của họ, có nghĩa là chúng không hoạt động giống mình và thay vào đó tạm thời trở thành "ảo". Bằng cách nghiên cứu các tương tác siêu hiếm này, các nhà vật lý hy vọng sẽ tiết lộ một số tính chất cơ bản của ánh sáng và thậm chí có thể khám phá ra vật lý năng lượng cao mới, như các lý thuyết thống nhất lớn và (có thể) siêu đối xứng.
Một cái chạm nhẹ
Thông thường, một điều tốt là các photon không tương tác với nhau hoặc bật ra khỏi nhau, bởi vì đó sẽ là một nhà thương điên hoàn toàn với các photon không bao giờ đi đâu trong bất kỳ đường thẳng nào. Vì vậy, may mắn thay, hai photon sẽ đơn giản trượt qua nhau như thể cái kia thậm chí không tồn tại.
Đó là, hầu hết thời gian.
Trong các thí nghiệm năng lượng cao, chúng ta có thể (với rất nhiều mỡ khuỷu tay) có được hai photon để tấn công lẫn nhau, mặc dù điều này rất hiếm khi xảy ra. Các nhà vật lý quan tâm đến loại quá trình này bởi vì nó tiết lộ một số tính chất rất sâu sắc của bản chất của ánh sáng và có thể giúp khám phá một số vật lý bất ngờ.
Các photon hiếm khi tương tác với nhau vì chúng chỉ kết nối với các hạt có điện tích. Đó chỉ là một trong những quy tắc của vũ trụ mà chúng ta phải sống theo. Nhưng nếu đây là quy luật của vũ trụ, thì làm sao chúng ta có thể có được hai photon, không có điện tích, để kết nối với nhau?
Khi một photon không
Câu trả lời nằm ở một trong những khía cạnh khó hiểu nhất nhưng vẫn ngon miệng của vật lý hiện đại, và nó đi theo cái tên ngộ nghĩnh của điện động lực học lượng tử.
Trong bức tranh về thế giới hạ nguyên tử, photon không nhất thiết phải là photon. Chà, ít nhất, nó không phải lúc nào cũng là một photon. Các hạt như electron và photon và tất cả các hạt khác liên tục lật qua lại, thay đổi danh tính khi chúng di chuyển. Ban đầu có vẻ khó hiểu: Làm thế nào có thể, nói, một chùm ánh sáng là bất cứ thứ gì khác ngoài một chùm ánh sáng?
Để hiểu được hành vi lập dị này, chúng ta cần mở rộng ý thức của mình một chút (để mượn một biểu thức).
Trong trường hợp các photon, khi chúng di chuyển, thỉnh thoảng (và hãy nhớ rằng điều này cực kỳ, cực kỳ hiếm), người ta có thể thay đổi suy nghĩ của mình. Và thay vì chỉ là một photon, nó có thể trở thành một cặp hạt, electron tích điện âm và positron tích điện dương (đối tác phản vật chất của electron), di chuyển cùng nhau.
Nháy mắt và bạn sẽ nhớ nó, bởi vì positron và electron sẽ tìm thấy nhau, và, như xảy ra khi vật chất và phản vật chất gặp nhau, chúng hủy diệt, gặp sự cố. Cặp lẻ sẽ biến trở lại thành một photon.
Vì nhiều lý do quá phức tạp để có thể tham gia ngay bây giờ, khi điều này xảy ra, các cặp này được gọi là các hạt ảo. Chỉ cần nói rằng trong hầu hết các trường hợp, bạn không bao giờ có thể tương tác với các hạt ảo (trong trường hợp này là positron và electron), và bạn chỉ có thể nói chuyện với photon.
Nhưng không phải trong mọi trường hợp.
Một ánh sáng trong bóng tối
Trong một loạt các thí nghiệm do sự hợp tác của ATLAS thực hiện tại Máy va chạm Hadron lớn bên dưới biên giới Pháp-Thụy Sĩ và gần đây đã nộp cho tạp chí in thử trực tuyến arXiv, nhóm nghiên cứu đã dành quá nhiều thời gian để đập các hạt nhân vào nhau với tốc độ ánh sáng gần như . Tuy nhiên, họ không thực sự để các hạt chì va vào nhau; thay vào đó, các bit chỉ đến rất, rất, rất, rất gần.
Bằng cách này, thay vì phải đối phó với một vụ va chạm khổng lồ, bao gồm rất nhiều hạt, lực và năng lượng phụ, các nguyên tử chì chỉ tương tác qua lực điện từ. Nói cách khác, họ chỉ trao đổi rất nhiều photon.
Và thỉnh thoảng - cực kỳ, cực kỳ hiếm khi - một trong những photon đó sẽ nhanh chóng biến thành một cặp gồm positron và electron; sau đó, một photon khác sẽ nhìn thấy một trong những positron hoặc electron đó và nói chuyện với nó. Một tương tác sẽ xảy ra.
Bây giờ, trong tương tác này, photon chỉ va vào electron hoặc positron và tắt đi theo cách vui vẻ của nó mà không gây hại gì. Cuối cùng, positron hoặc electron đó tìm thấy bạn đời của nó và trở lại là một photon, do đó, kết quả của hai photon va vào nhau chỉ là hai photon nảy ra khỏi nhau. Nhưng họ có thể nói chuyện với nhau rất đáng chú ý.
Làm thế nào đáng chú ý? Chà, sau hàng nghìn tỷ va chạm, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra tổng cộng 59 giao lộ tiềm năng. Chỉ 59.
Nhưng 59 tương tác đó cho chúng ta biết gì về vũ trụ? Đối với một người, họ xác nhận hình ảnh này rằng một photon không phải luôn luôn là một photon.
Và bằng cách đào sâu vào bản chất lượng tử của các hạt này, chúng ta có thể học được một số vật lý mới. Ví dụ, trong một số mô hình ưa thích đẩy ranh giới của vật lý hạt đã biết, các tương tác photon này xảy ra ở các tốc độ hơi khác nhau, có khả năng cho chúng ta cách khám phá và thử nghiệm các mô hình này. Ngay bây giờ, chúng tôi không có đủ dữ liệu để cho biết sự khác biệt giữa bất kỳ mô hình nào trong số này. Nhưng bây giờ khi kỹ thuật được thiết lập, chúng ta có thể sẽ thực hiện một số bước tiến.
Và bạn sẽ phải bào chữa cho trò chơi đóng cửa rất rõ ràng ở đây, nhưng hy vọng sớm thôi, chúng ta có thể làm sáng tỏ tình hình.
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio, máy chủ của "Hỏi một người không gian" và "Đài phát thanh không gian,"và tác giả của"Vị trí của bạn trong vũ trụ."
