I tilfælde af at du ikke var klar over det, er fotoner små bittesmå lysstykker. Faktisk er de den mindste smule lys. Når du tænder en lampe, springer gigantiske antal fotoner fra den pære og smækker ind i dine øjne, hvor de optages af din nethinde og bliver til et elektrisk signal, så du kan se, hvad du laver.
Så du kan forestille dig, hvor mange fotoner der omgiver dig på et tidspunkt. Ikke kun fra lysene i dit værelse, men fotoner strømmer også ind gennem vinduet fra solen. Selv din egen krop genererer fotoner, men helt ned i infrarøde energier, så du har brug for nattsynsbriller for at se dem. Men de er stadig der.
Og selvfølgelig bombarderer alle radiobølger og ultraviolette stråler og alle de andre stråler konstant dig og alt andet med en endeløs strøm af fotoner.
Det er fotoner overalt.
Disse små lyspakker er ikke meningen, at de skal interagere med hinanden, de har i det væsentlige ingen "bevidsthed" om, at de andre endda findes. Fysikens love er sådan, at den ene foton bare går forbi en anden uden interaktion.
Det var hvad fysikere i det mindste troede. Men i et nyt eksperiment inde i verdens mest magtfulde atomknusere fik forskerne et glimt af det umulige: fotoner, der støder ind i hinanden. Fangsten? Disse fotoner var lidt væk fra deres spil, hvilket betyder, at de ikke optrådte som dem selv og i stedet midlertidigt var blevet "virtuelle." Ved at studere disse supers sjældne interaktioner håber fysikere at afsløre nogle af de grundlæggende egenskaber ved lys og muligvis endda opdage ny højenergifysik, som store samlede teorier og (måske) supersymmetri.
En let berøring
Normalt er det en god ting, at fotoner ikke interagerer med hinanden eller spretter fra hinanden, fordi det ville være et totalt galskab med fotoner, der aldrig går nogen steder i nogen form for lige linje. Så heldigvis glider to fotoner ved hinanden som om den anden ikke engang eksisterede.
Det er det meste af tiden.
I højenergi-eksperimenter kan vi (med meget albue-fedt) få to fotoner til at slå hinanden, skønt dette sker meget sjældent. Fysikere er interesseret i denne form for proces, fordi den afslører nogle meget dybe egenskaber ved selve lysets natur og kunne hjælpe med at afdække nogle uventede fysikker.
Fotoner interagerer så sjældent med hinanden, fordi de kun forbinder med partikler, der har elektriske ladninger. Det er bare en af de regler i universet, som vi er nødt til at leve efter. Men hvis dette er universets regel, hvordan kunne vi nogensinde få to fotoner, der ikke har nogen ladning, til at forbinde med hinanden?
Når en foton ikke er det
Svaret ligger i en af de mest ubeskrivelige og alligevel lækre aspekter af moderne fysik, og det går under det funky navn kvanteelektrodynamik.
På dette billede af den subatomære verden er fotonen ikke nødvendigvis en foton. Det er i det mindste ikke altid et foton. Partikler som elektroner og fotoner og alle de andre -oner vippes konstant frem og tilbage og ændrer identitet, når de rejser. Det virker i første omgang forvirrende: Hvordan kunne, sige, en lysstråle være noget andet end en lysstråle?
For at forstå denne skøre adfærd er vi nødt til at udvide vores bevidsthed lidt (for at låne et udtryk).
I tilfælde af fotoner, når de rejser, hver gang imellem (og husk, at dette er ekstremt, ekstremt sjældent), kan man skifte mening. Og i stedet for kun at være et foton, kan det blive et par partikler, en negativt ladet elektron og en positivt ladet positron (elektronets antimaterielle partner), der rejser sammen.
Blink, og du vil gå glip af det, fordi positronen og elektronet finder hinanden, og som det sker, når materie og antimaterie mødes, ødelægger de, poof. Det ulige par vender tilbage til en foton.
Af forskellige grunde, der er alt for komplicerede til at komme ind lige nu, når dette sker, kaldes disse par virtuelle partikler. Det er tilstrækkeligt at sige, at du i næsten alle tilfælde aldrig får interaktion med de virtuelle partikler (i dette tilfælde positronen og elektronet), og du får kun nogensinde at tale med fotonen.
Men ikke i alle tilfælde.
Et lys i mørket
I en række eksperimenter kørt af ATLAS-samarbejdet ved Large Hadron Collider under den fransk-schweiziske grænse og for nylig blev forelagt online preprint-tidsskriftet arXiv, brugte teamet alt for meget tid på at smide blykerner ind i hinanden med næsten lysets hastighed . Men de lod faktisk ikke blypartiklerne ramme hinanden; i stedet kom bitene bare meget, meget, meget, meget tæt.
På denne måde, i stedet for at skulle beskæftige sig med et gigantisk rod i en kollision, inklusive en masse ekstra partikler, kræfter og energier, interagerede blyatomerne netop via den elektromagnetiske kraft. Med andre ord udvekslede de bare en hel masse fotoner.
Og en gang imellem - ekstremt, utroligt sjældent - ville en af disse fotoner kort blive til et par sammensat af en positron og en elektron; så ville en anden foton se en af disse positroner eller elektroner og tale med den. Der ville forekomme en interaktion.
I denne vekselvirkning rammer fotonen bare en slags stød ind i enten elektronet eller positronen og går af på sin lystige måde uden skade. Til sidst finder den positron eller elektron sin kompis og vender tilbage til at være en foton, så resultatet af to fotoner, der rammer hinanden, er bare to fotoner, der sprænger af hinanden. Men at de overhovedet var i stand til at tale med hinanden, er bemærkelsesværdigt.
Hvor bemærkelsesværdigt? Nå, efter billioner på billioner af kollisioner, opdagede teamet i alt 59 potentielle kryds. Bare 59.
Men hvad fortæller disse 59 interaktioner os om universet? For det første validerer de dette billede, at en foton ikke altid er en foton.
Og ved at grave ind i selve kvantiteten af disse partikler, kunne vi lære noget nyt fysik. For eksempel, i nogle smarte modeller, der skubber grænserne for kendt partikelfysik, forekommer disse fotoninteraktioner i lidt forskellige hastigheder, hvilket potentielt giver os en måde at udforske og teste disse modeller. Lige nu har vi ikke nok data til at fortælle forskellene mellem nogen af disse modeller. Men nu, hvor teknikken er etableret, kan vi måske bare gøre noget.
Og du bliver nødt til at undskylde den meget åbenlyse afsluttende ordspil her, men forhåbentlig snart kan vi kaste lys over situationen.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for "Spørg en Spaceman" og "Space Radio,"og forfatter af"Dit sted i universet."
