兩束光對射為啥不會碰撞出激烈火花呢?原來光子的性格很孤傲

2020-11-30 時空通訊

光量子具有波粒二象性,這是不爭的事實。理論上光子作為粒子有相互撞擊的可能,但這種概率極小極小。

光子不帶電荷,在真空中以直線勻速運動,每秒約30萬千米。光子只會與帶電荷的粒子相互結合,一般情況下,光子本身不會彼此互動和相互作用,這就是宇宙中存在的物理規律。

對於宇宙規律,我們只能認知它,而無法改變它。

如果光子可以隨便相撞或發生相互作用,宇宙中存在無數各個方向的光,光子還能夠直線勻速運動嗎?一束相隔我們數十億光年的光,一路如果經過多少相互作用的光,那這束光還能夠傳到我們的視網膜嗎?

如果光子會隨意的相互碰撞,我們的世界就不是這個樣子,就無法認知,就會天上天下大亂。

因此,光子與光子相遇時,一般都是相互沒有感覺的擦肩而過,就像對方不存在一樣,各走各的路,你走你的陽關道,我過我的獨木橋。

所以,我們才能夠看到各個光源不受幹擾發出的光線,才會看到遙遠的恆星、星系和各種天體的樣子。

光只有在引力作用下,才會順著被引力扭曲的時空而彎曲前行。

但我們眼睛所看到的光,只是電磁波譜中的一小部分,而絕大部分都是以不可見的無限電波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線的形式傳播的,這些都是光的範疇,傳播介質都是光量子。

光子不會互動和交互作用,是光子的一種常態。近代研究發現,光子在極高能量時,也有可能發生相撞,儘管這種現象極其罕見。

中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任張雙南教授,曾經回答過一個關於光子碰撞的問題。他認為既然一對正負電子湮滅會產生一對伽馬光子,一對伽馬光子也可以反過來變為電子和正電子,但必須兩個光子能量足夠高。高到什麼程度呢?就是它們能量加起來要超過兩個電子的靜止質量,達到幾個TeV能量。

宇宙中伽馬射線暴就會產生這種高能光子,但我們至今還沒有在自然中觀察到這種光子現象。這是因為這樣的高能伽馬射線光子在旅途中很難逃過沿途的圍追堵截,大量的宇宙微波背景輻射或者紅外輻射的低能光子,與它們相遇立刻會碰撞出火花,產生正反電子對或者其他正反粒子對,它們就無法達到地球附近。

但科學家們在大型強子對撞機的高能實驗中製造和發現了光子相撞現象。

在位於法國和瑞士邊境的地下,有一臺世界最大的大型強子對撞機,其埋在地下深處的環形隧道總長度達到27公裡。

科學家們在這臺巨大的對撞機中,用強大的能量將兩束粒子以相反方向加速到接近光速,然後讓它們相撞,從而發現「新物理-新粒子」,取得了一個又一個重大突破。

其中,發現了希格斯粒子(上帝粒子),模擬了宇宙大爆炸那一刻的高溫高壓,使人類對宇宙和物質有了更深層次的認識。

在無數次的實驗中,科學家們也發現了高能光子相撞、相互作用的奇蹟。

科學家們花了大量時間,讓鉛原子核以接近光速的速度相撞,但事實上它們並沒有撞在一起,而是以非常非常近的距離擦身而過,這樣鉛原子只會通過電磁力發生作用,它們之間只是交換了大量的光子。

在極其罕見的情況下,個別光子會短暫的變成正反電子對,緊接著另一個光子會與這個電子對產生交流,由此相互作用發生了。

但這個交流僅僅是光子與電子或正電子「握了握手」,然後就分開了,光子毫髮無損繼續走自己的路,而被撞的電子或正電子很快就會找到自己的伴侶,重新變成光子。這種輕輕一碰馬上彈開的光子互動,看似沒有什麼影響,但已經是一種重大發現。

儘管這種現象極其罕見,罕見得比大海撈針還難,但還是被科學家們的火眼金睛捕捉到了。

2015年在40億次的碰撞試驗中,ATLAS探測器只發現了13個光子間散射候選目標,成為高能現象下光子間散射的第一個直接證據。

迄今為止,這種實驗已經進行了數萬億次,總共只探測到了59次可能的碰撞。

這些成果被發表在《自然物理學》雜誌上,這是一件具有重大意義的發現。

首先它證實了「光子並不永遠是光子」這樣一個推斷;其次通過深挖光量子這些本質,可以得到一些新的物理知識。

時空通訊有理由相信,隨著科學家們對光量子性質深層次的揭示,人類對物質世界的本質認識將會越來越清晰。

但在普遍情況下,光子們還是遵循其一般的特性,就是各走各的路,絕大、絕大部分的光子都是這樣。

正是因為如此,宇宙大爆炸後最開始發出的那一撥光子,在路上遇到了無數的光子,但都是假裝沒有看到對方,它們心中只有一個目標,就是心無旁騖地勇往直前。

這樣,它們才會經過138.2億年的旅行,最終到達了我們的視界,為我們探知宇宙之源送來了一把鑰匙。

這就是光子們的性格,歡迎討論。

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