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原子对撞机中发现不可能现象:光子之间竟会发生互动

2019-04-28     来源:新浪科技

 

到处都有光子的存在

  新浪科技讯 北京时间4月28日消息,据国外媒体报道,你可能没意识到,光子其实是一小片、一小片的光。事实上,光子是光能够分成的最小片段。你打开灯的一瞬间,无数的光子从灯泡中喷涌而出、一股脑地涌进你的眼睛里,然后被你的视网膜吸收、再转变为电信号,这样你就能看到眼前的事物了。

  你可以想象一下,就在此时此刻,自己身边围绕着多少光子。这些光子不仅来自你房间里的灯,还包括透过窗户进入室内、来自太阳的光子。就连你自己的身体也会产生光子,只不过是以红外能量的形式发散出来,需要用夜视镜才能看见。

  当然了,所有射电波、紫外线、以及其它各种射线也都无时无刻不在“轰炸”你,这些都是绵延不绝的光子流。

  简而言之,到处都有光子的存在。

  这些光的细小片段本不应与彼此发生相互作用,甚至“意识不到”其它光子的存在。按照物理法则,一个光子在与另一个光子擦肩而过时,不会发生任何互动。

  至少物理学家过去是这么认为的。但在全世界最强大的原子对撞机中开展的一项新实验中,研究人员短暂地观察到了一种不可能发生的现象:光子竟然相撞了。这里面究竟有何蹊跷?这些光子有些违反常理,行为表现不像正常的光子,反倒短暂地变成了“虚粒子”。通过研究这些极其罕见的相互作用,物理学家希望进一步揭露光的基本性质,甚至发现全新的高能物理法则,如大一统理论和超对称理论等。

  轻轻一碰

  通常来说,光子不会彼此互动、或相互碰撞是件好事,否则光子就永远无法直线前进了,一切也就乱了套。还好,两个光子通常都会径直擦肩而过,仿佛对方不存在一样,这是大部分情况下出现的情况。

  在高能实验中,我们通过努力,可以让两个光子相撞,不过这种情况发生的概率极小。物理学家对这类过程很感兴趣,因为它能够揭露光的深层本质,还能帮助我们发现一些预料之外的物理现象。

  光子之间极少发生相互作用,是因为它们只会与带电荷的粒子相互联结。这是宇宙的自有规律,我们无法左右。但假如这就是宇宙规律,我们又如何才能让两个不带电荷的光子联结在一起呢?

  光子是什么?

  这个问题的答案埋藏在现代物理学最神秘难解、但又最引人入胜的领域之一中。这个领域有一个非常时髦的名字——量子电动力学。

  在亚原子世界中,光子不一定是光子,或者说,不一定永远都是光子。像电子、光子等粒子会在运动过程中不断切换“身份”。乍看之下,这似乎有点让人摸不着头脑:一束光除了一束光之外,还可能是什么呢?

  要理解这种奇异行为,我们要稍微扩展一下自己的思维。

  就光子来说,在它们的运动过程中,偶尔(一定要记住,这种情况极其、极其罕见)会有一个光子改变想法。它可能不再是一个粒子,而是变成一对粒子,由一个负电荷的电子和一个带正电荷的“正电子”(即电子的反物质)构成,一起向前运动,但这种情况转瞬即逝,因为正负电子总会相遇。一旦相遇,它们就会立即湮灭,变回光子。

  出于各种复杂原因,发生这种现象时,这些粒子对被称作“虚粒子”。可以说,在绝大多数情况下,你永远不会与虚粒子发生相互作用,只能接触到光子,但并非在所有情况下都是如此。

  黑暗中的一线光明

  在位于法国和瑞士边境地下的大学强子对撞机的ATLAS仪器开展的一系列实验中,研究团队花了大量时间、让铅原子核以接近光速的速度相撞。但事实上,他们并没能让铅原子核撞在一起。这些粒子之间只是靠得非常、非常、非常、非常近而已。

  这样一来,铅原子只会通过电磁力发生作用,而不会涉及到膨胀带来的一系列麻烦问题,如产生的一大堆新粒子、力和能量等等。换句话说,这些铅原子核之间只是交换了大量光子而已。

  并且在极其罕见的情况下,其中某个光子可能会短暂地变成电子与正电子对。紧接着,另一个光子可能会与这个电子或正电子产生“交流”。这样一来,就发生了相互作用。

  在这种相互作用过程中,光子仅仅是撞到了电子或正电子上,然后毫发无损,继续走自己的路。而被撞的电子或正电子很快便会找到自己的伴侣,重新变回光子。所以两个光子相撞后,它们只会从对方身上弹开,不会有什么影响。但这种交流本身就已经非常了不起了。

  有多了不起呢?这么说吧,这支研究团队总共进行了数万万亿次撞击,总共只探测到了59次可能的碰撞,只有59次!

  但这59次互动透露了怎样的宇宙信息呢?首先,它证实了“光子并不永远是光子”这一点

  此外,通过深挖这些粒子的量子本质,我们还可以了解到一些新的物理知识。比如说,在一些试图推动已知粒子物理边界的精妙模型中,这些光子之间的互动发生的概率也略有不同。这或许能为我们提供一种探索和测试这些模型的方法。目前,我们还没有足够的数据,无法判断这些模型之间的区别。但如今有了相应的技术,我们也许能有所推进。

  希望在不久的将来,我们真的能为目前这种“两眼一抹黑”的情况带来“一线光明”。

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