في حال لم تدرك ذلك ، الفوتونات هي قطع صغيرة من الضوء. في الواقع ، هم أصغر قدر ممكن من الضوء. عندما تقوم بتشغيل مصباح ، تنبثق أعداد هائلة من الفوتونات من تلك اللمبة وتضرب في عينيك ، حيث تمتصها شبكية العين وتحولها إلى إشارة كهربائية حتى تتمكن من رؤية ما تفعله.
لذا ، يمكنك تخيل عدد الفوتونات التي تحيط بك في وقت واحد. ليس فقط من الأضواء في غرفتك ، ولكن الفوتونات أيضًا تتدفق عبر النافذة من الشمس. حتى جسمك يولد الفوتونات ، ولكن على طول الطريق في طاقات الأشعة تحت الحمراء ، لذلك تحتاج إلى نظارات للرؤية الليلية لرؤيتها. لكنهم لا يزالون هناك.
وبالطبع ، فإن كل موجات الراديو والأشعة فوق البنفسجية وجميع الأشعة الأخرى تقصفك باستمرار وكل شيء آخر بتيار لا نهاية له من الفوتونات.
إنه الفوتونات في كل مكان.
هذه الحزم الصغيرة من الضوء ليس من المفترض أن تتفاعل مع بعضها البعض ، بشكل أساسي دون "وعي" بوجود الآخرين حتى. قوانين الفيزياء تجعل الفوتون يمر بآخر بدون تفاعل.
هذا ما اعتقده الفيزيائيون ، على الأقل. ولكن في تجربة جديدة داخل أقوى جهاز تحطيم ذرة في العالم ، حصل الباحثون على لمحة عن المستحيل: الفوتونات تصطدم ببعضها البعض. الصيد؟ كانت هذه الفوتونات بعيدة قليلاً عن لعبتها ، مما يعني أنها لم تكن تتصرف مثل نفسها وبدلاً من ذلك أصبحت مؤقتًا "افتراضية". من خلال دراسة هذه التفاعلات النادرة للغاية ، يأمل الفيزيائيون في الكشف عن بعض الخصائص الأساسية للضوء وربما حتى اكتشاف فيزياء جديدة عالية الطاقة ، مثل النظريات الموحدة الكبرى و (ربما) التناظر الفائق.
لمسة خفيفة
عادة ، من الجيد أن الفوتونات لا تتفاعل مع بعضها البعض أو ترتد عن بعضها البعض ، لأن ذلك سيكون مجنونا بالكامل مع الفوتونات لا تذهب إلى أي مكان في أي نوع من الخطوط المستقيمة. لذا ، لحسن الحظ ، فإن اثنين من الفوتونات ينزلقان ببساطة على بعضهما البعض كما لو كان الآخر غير موجود حتى.
هذا هو معظم الوقت.
في التجارب عالية الطاقة ، يمكننا (مع الكثير من شحم الكوع) الحصول على فوتونين لضرب بعضهما البعض ، على الرغم من أن هذا يحدث نادرًا جدًا. الفيزيائيون مهتمون بهذا النوع من العمليات لأنه يكشف عن بعض الخصائص العميقة جدًا لطبيعة الضوء نفسه ويمكن أن يساعد في الكشف عن بعض الفيزياء غير المتوقعة.
نادرًا ما تتفاعل الفوتونات مع بعضها البعض لأنها لا تتصل إلا بالجسيمات التي تحتوي على شحنات كهربائية. إنها مجرد واحدة من قواعد الكون التي يجب أن نعيش بها. لكن إذا كانت هذه هي قاعدة الكون ، فكيف يمكننا أن نحصل على فوتونين ، ليس لهما شحنة ، للتواصل مع بعضنا البعض؟
عندما لا يكون الفوتون
الجواب يكمن في أحد أكثر جوانب الفيزياء الحديثة غموضاً ولذيذًا ، ويأتي بالاسم غير التقليدي للديناميكا الكهربائية الكمومية.
في هذه الصورة للعالم دون الذري ، الفوتون ليس بالضرورة فوتونًا. حسنًا ، على الأقل ، ليس الفوتون دائمًا. الجزيئات مثل الإلكترونات والفوتونات وجميع الأجزاء الأخرى تنقلب باستمرار ذهابًا وإيابًا ، مما يغير الهويات أثناء انتقالها. يبدو الأمر مربكًا في البداية: كيف يمكن ، على سبيل المثال ، أن يكون شعاع الضوء أي شيء آخر غير شعاع الضوء؟
من أجل فهم هذا السلوك الغريب ، نحتاج إلى توسيع وعينا قليلاً (لاستعارة تعبير).
في حالة الفوتونات ، أثناء سفرها ، بين الحين والآخر (ضع في اعتبارك أن هذا نادر للغاية) ، يمكن للمرء أن يغير رأيه. وبدلاً من كونه مجرد فوتون ، يمكن أن يصبح زوجًا من الجسيمات ، إلكترون سالب الشحنة وبوزيترون موجب الشحنة (الشريك المضاد للإلكترون) ، يسافرون معًا.
يومض وستفتقدها ، لأن البوزيترون والإلكترون سيجدان بعضهما البعض ، وكما يحدث عندما تلتقي المادة والمادة المضادة ، فإنهما يهلكان. سوف يتحول الزوج الفردي مرة أخرى إلى فوتون.
لأسباب مختلفة معقدة للغاية لدرجة أنه لا يمكن الدخول إليها الآن ، عندما يحدث هذا ، تسمى هذه الأزواج جسيمات افتراضية. يكفي أن نقول أنه في جميع الحالات تقريبًا لا يمكنك أبدًا التفاعل مع الجسيمات الافتراضية (في هذه الحالة ، البوزيترون والإلكترون) ، ويمكنك فقط التحدث إلى الفوتون.
ولكن ليس في كل حالة.
نور في الظلام
في سلسلة من التجارب التي أجراها تعاون ATLAS في Large Hadron Collider تحت الحدود الفرنسية السويسرية وتم إرساله مؤخرًا إلى مجلة arXiv التمهيدية عبر الإنترنت ، أمضى الفريق الكثير من الوقت في ضرب نوى الرصاص في بعضها البعض تقريبًا بسرعة الضوء . ومع ذلك ، لم يسمحوا فعليًا بضرب جزيئات الرصاص ؛ وبدلاً من ذلك ، كانت البتات قريبة جدًا جدًا جدًا.
بهذه الطريقة ، بدلاً من الاضطرار إلى التعامل مع فوضى تصادم ضخمة ، بما في ذلك الكثير من الجسيمات والقوى والطاقات الإضافية ، تفاعلت ذرات الرصاص للتو عبر القوة الكهرومغناطيسية. بعبارة أخرى ، لقد تبادلوا الكثير من الفوتونات.
وفي كل مرة - نادرا للغاية - نادرا ما يتحول أحد تلك الفوتونات لفترة وجيزة إلى زوج مكون من بوزيترون وإلكترون. ثم يرى فوتون آخر أحد تلك البوزيترونات أو الإلكترونات ويتحدث إليه. سيحدث تفاعل.
الآن ، في هذا التفاعل ، يتصادم الفوتون نوعًا ما إما مع الإلكترون أو البوزيترون وينطلق في طريقه المرح دون أي ضرر. في نهاية المطاف ، يجد هذا البوزيترون أو الإلكترون رفيقه ويعود إلى كونه فوتونًا ، لذا فإن نتيجة ضرب فوتونين لبعضهما البعض هو مجرد فوتونين يرتدان عن بعضهما البعض. لكنهم تمكنوا من التحدث مع بعضهم البعض على الإطلاق أمر رائع.
كيف رائع؟ حسنًا ، بعد تريليونات تريليونات التصادمات ، اكتشف الفريق ما مجموعه 59 تقاطعًا محتملاً. فقط 59.
ولكن ماذا تخبرنا هذه التفاعلات الـ 59 عن الكون؟ على سبيل المثال ، يؤكدون على هذه الصورة أن الفوتون ليس دائمًا فوتونًا.
ومن خلال الحفر في الطبيعة الكمية لهذه الجسيمات ، يمكننا أن نتعلم بعض الفيزياء الجديدة. على سبيل المثال ، في بعض النماذج الفاخرة التي تدفع حدود فيزياء الجسيمات المعروفة ، تحدث تفاعلات الفوتون هذه بمعدلات مختلفة قليلاً ، مما يمنحنا طريقة لاستكشاف واختبار هذه النماذج. في الوقت الحالي ، ليس لدينا بيانات كافية لتحديد الاختلافات بين أي من هذه النماذج. ولكن الآن بعد أن تم تأسيس هذه التقنية ، فقد نحقق بعض التقدم.
وسوف تضطر إلى تبرير الجملة الختامية الواضحة للغاية هنا ، ولكن نأمل أن نتمكن قريبًا من إلقاء بعض الضوء على الموقف.
بول م. سوتر فيزيائي فلكي في جامعة ولاية أوهايومضيف "اسأل رائد فضاء" و "راديو الفضاء ،"ومؤلف"مكانك في الكون."
