Voor het geval je het niet wist, fotonen zijn kleine stukjes licht. In feite zijn ze het kleinst mogelijke beetje licht. Wanneer je een lamp aanzet, komen gigantische aantallen fotonen uit die lamp en slaan ze in je ogen, waar ze worden geabsorbeerd door je netvlies en omgezet in een elektrisch signaal zodat je kunt zien wat je doet.
Je kunt je dus voorstellen hoeveel fotonen je tegelijkertijd omringen. Niet alleen door de lichten in je kamer, maar ook fotonen stromen door het raam naar binnen vanuit de zon. Zelfs je eigen lichaam genereert fotonen, maar helemaal naar beneden in infrarode energieën, dus je hebt een nachtkijker nodig om ze te zien. Maar ze zijn er nog steeds.
En natuurlijk bombarderen alle radiogolven en ultraviolette stralen en alle andere stralen je constant en al het andere met een eindeloze stroom fotonen.
Het zijn overal fotonen.
Het is niet de bedoeling dat deze kleine pakjes licht met elkaar in wisselwerking staan en in wezen geen 'besef' hebben dat de andere zelfs bestaan. De wetten van de natuurkunde zijn zodanig dat het ene foton gewoon door het andere gaat zonder interactie.
Dat dachten natuurkundigen tenminste. Maar in een nieuw experiment in 's werelds krachtigste atoomverpletteraar kregen onderzoekers een glimp van het onmogelijke: fotonen die tegen elkaar botsen. De vangst? Deze fotonen waren een beetje uit hun spel, wat betekent dat ze zich niet als zichzelf gedroegen en in plaats daarvan tijdelijk "virtueel" waren geworden. Door deze superzeldzame interacties te bestuderen, hopen natuurkundigen enkele van de fundamentele eigenschappen van licht te onthullen en mogelijk zelfs nieuwe hoogenergetische fysica te ontdekken, zoals grootschalige verenigde theorieën en (misschien) supersymmetrie.
Een lichte aanraking
Meestal is het een goede zaak dat fotonen niet met elkaar interageren of tegen elkaar stuiteren, want dat zou een totaal gekkenhuis zijn met fotonen die nergens heen gaan in een rechte lijn. Dus gelukkig zullen twee fotonen gewoon langs elkaar glippen alsof de andere niet eens bestond.
Dat wil zeggen, meestal.
Bij hoogenergetische experimenten kunnen we (met veel elleboogvet) twee fotonen tegen elkaar laten slaan, hoewel dit zeer zelden gebeurt. Natuurkundigen zijn geïnteresseerd in dit soort processen omdat het een aantal zeer diepe eigenschappen van de aard van het licht zelf onthult en kan helpen om onverwachte fysica te ontdekken.
Fotonen werken zo zelden met elkaar omdat ze alleen verbinding maken met deeltjes die elektrische ladingen hebben. Het is slechts een van die regels van het universum waar we naar moeten leven. Maar als dit de regel van het universum is, hoe kunnen we dan ooit twee fotonen, die geen lading hebben, met elkaar laten verbinden?
Als een foton dat niet is
Het antwoord ligt in een van de meest ondoorgrondelijke en toch heerlijke aspecten van de moderne fysica, en het heet de funky naam van kwantumelektrodynamica.
In deze afbeelding van de subatomaire wereld is het foton niet noodzakelijk een foton. Nou ja, het is tenminste niet altijd een foton. Deeltjes zoals elektronen en fotonen en alle andere -onen draaien voortdurend heen en weer en veranderen van identiteit terwijl ze reizen. Het lijkt in eerste instantie verwarrend: hoe kan bijvoorbeeld een lichtstraal iets anders zijn dan een lichtstraal?
Om dit gekke gedrag te begrijpen, moeten we ons bewustzijn een beetje uitbreiden (om een uitdrukking te lenen).
In het geval van fotonen, terwijl ze reizen, zo nu en dan (en houd er rekening mee dat dit uiterst, uiterst zeldzaam is), kan men van gedachten veranderen. En in plaats van slechts een foton te zijn, kan het een paar deeltjes worden, een negatief geladen elektron en een positief geladen positron (de antimateriepartner van het elektron), die samen reizen.
Knipper en je zult het missen, omdat het positron en het elektron elkaar zullen vinden, en zoals gebeurt wanneer materie en antimaterie elkaar ontmoeten, vernietigen ze, poef. Het oneven paar verandert weer in een foton.
Om verschillende redenen die veel te ingewikkeld zijn om nu in te gaan, worden deze paren virtuele deeltjes genoemd wanneer dit gebeurt. Het volstaat te zeggen dat je in bijna alle gevallen nooit interactie krijgt met de virtuele deeltjes (in dit geval het positron en het elektron) en dat je alleen met het foton kunt praten.
Maar niet altijd.
Een licht in het donker
In een reeks experimenten uitgevoerd door de ATLAS-samenwerking bij de Large Hadron Collider onder de Frans-Zwitserse grens en onlangs ingediend bij het online preprint-tijdschrift arXiv, besteedde het team veel te veel tijd aan het dichtslaan van loodkernen met bijna de lichtsnelheid . Ze lieten de looddeeltjes elkaar echter niet echt raken; in plaats daarvan kwamen de stukjes gewoon heel, heel, heel, heel dichtbij.
Op deze manier, in plaats van dat ze te maken kregen met een gigantische puinhoop van een botsing, inclusief veel extra deeltjes, krachten en energieën, interageerden de loodatomen gewoon via de elektromagnetische kracht. Met andere woorden, ze hebben zojuist heel veel fotonen uitgewisseld.
En af en toe - extreem, ongelooflijk zelden - zou een van die fotonen kort veranderen in een paar bestaande uit een positron en een elektron; dan zou een ander foton een van die positronen of elektronen zien en ermee praten. Er zou een interactie plaatsvinden.
Nu, in deze interactie, botst het foton gewoon een beetje in het elektron of het positron en gaat het op een vrolijke manier weg zonder enige schade. Uiteindelijk vindt dat positron of elektron zijn partner en wordt het weer een foton, dus het resultaat van twee fotonen die elkaar raken, is slechts twee fotonen die tegen elkaar botsen. Maar dat ze überhaupt met elkaar konden praten is opmerkelijk.
Hoe bijzonder? Welnu, na biljoenen en biljoenen botsingen ontdekte het team een totaal van 59 potentiële kruispunten. Slechts 59.
Maar wat vertellen die 59 interacties ons over het universum? Ten eerste valideren ze deze foto dat een foton niet altijd een foton is.
En door ons te verdiepen in de kwantumaard van deze deeltjes, zouden we wat nieuwe fysica kunnen leren. In sommige mooie modellen die de grenzen van de bekende deeltjesfysica verleggen, vinden deze fotoninteracties bijvoorbeeld met iets verschillende snelheden plaats, waardoor we mogelijk een manier kunnen vinden om deze modellen te verkennen en te testen. Op dit moment hebben we niet genoeg gegevens om de verschillen tussen deze modellen te zien. Maar nu de techniek is vastgesteld, kunnen we misschien wat vooruitgang boeken.
En u zult hier de zeer voor de hand liggende slotwoordspeling moeten excuseren, maar hopelijk kunnen we binnenkort wat licht werpen op de situatie.
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van "Vraag een Spaceman" en "Ruimte radio,"en auteur van"Jouw plaats in het universum."
