原子對撞機中發現不可能現象:光子之間互動

北京時間4月28日消息，據國外媒體報導，你可能沒意識到，光子其實是一小片、一小片的光。事實上，光子是光能夠分成的最小片段。你打開燈的一瞬間，無數的光子從燈泡中噴湧而出、一股腦地湧進你的眼睛裡，然後被你的視網膜吸收、再轉變為電信號，這樣你就能看到眼前的事物了。

你可以想像一下，就在此時此刻，自己身邊圍繞著多少光子。這些光子不僅來自你房間裡的燈，還包括透過窗戶進入室內、來自太陽的光子。就連你自己的身體也會產生光子，只不過是以紅外能量的形式發散出來，需要用夜視鏡才能看見。

當然了，所有射電波、紫外線、以及其它各種射線也都無時無刻不在「轟炸」你，這些都是綿延不絕的光子流。

簡而言之，到處都有光子的存在。

這些光的細小片段本不應與彼此發生相互作用，甚至「意識不到」其它光子的存在。按照物理法則，一個光子在與另一個光子擦肩而過時，不會發生任何互動。

至少物理學家過去是這麼認為的。但在全世界最強大的原子對撞機中開展的一項新實驗中，研究人員短暫地觀察到了一種不可能發生的現象：光子竟然相撞了。這裡面究竟有何蹊蹺？這些光子有些違反常理，行為表現不像正常的光子，反倒短暫地變成了「虛粒子」。通過研究這些極其罕見的相互作用，物理學家希望進一步揭露光的基本性質，甚至發現全新的高能物理法則，如大一統理論和超對稱理論等。

輕輕一碰

通常來說，光子不會彼此互動、或相互碰撞是件好事，否則光子就永遠無法直線前進了，一切也就亂了套。還好，兩個光子通常都會徑直擦肩而過，仿佛對方不存在一樣，這是大部分情況下出現的情況。

在高能實驗中，我們通過努力，可以讓兩個光子相撞，不過這種情況發生的概率極小。物理學家對這類過程很感興趣，因為它能夠揭露光的深層本質，還能幫助我們發現一些預料之外的物理現象。

光子之間極少發生相互作用，是因為它們只會與帶電荷的粒子相互聯結。這是宇宙的自有規律，我們無法左右。但假如這就是宇宙規律，我們又如何才能讓兩個不帶電荷的光子聯結在一起呢？

光子是什麼？

這個問題的答案埋藏在現代物理學最神秘難解、但又最引人入勝的領域之一中。這個領域有一個非常時髦的名字——量子電動力學。

在亞原子世界中，光子不一定是光子，或者說，不一定永遠都是光子。像電子、光子等粒子會在運動過程中不斷切換「身份」。乍看之下，這似乎有點讓人摸不著頭腦：一束光除了一束光之外，還可能是什麼呢？

要理解這種奇異行為，我們要稍微擴展一下自己的思維。

就光子來說，在它們的運動過程中，偶爾（一定要記住，這種情況極其、極其罕見）會有一個光子改變想法。它可能不再是一個粒子，而是變成一對粒子，由一個負電荷的電子和一個帶正電荷的「正電子」（即電子的反物質）構成，一起向前運動，但這種情況轉瞬即逝，因為正負電子總會相遇。一旦相遇，它們就會立即湮滅，變回光子。

出於各種複雜原因，發生這種現象時，這些粒子對被稱作「虛粒子」。可以說，在絕大多數情況下，你永遠不會與虛粒子發生相互作用，只能接觸到光子，但並非在所有情況下都是如此。

黑暗中的一線光明

在位於法國和瑞士邊境地下的大學強子對撞機的ATLAS儀器開展的一系列實驗中，研究團隊花了大量時間、讓鉛原子核以接近光速的速度相撞。但事實上，他們並沒能讓鉛原子核撞在一起。這些粒子之間只是靠得非常、非常、非常、非常近而已。

這樣一來，鉛原子只會通過電磁力發生作用，而不會涉及到膨脹帶來的一系列麻煩問題，如產生的一大堆新粒子、力和能量等等。換句話說，這些鉛原子核之間只是交換了大量光子而已。

並且在極其罕見的情況下，其中某個光子可能會短暫地變成電子與正電子對。緊接著，另一個光子可能會與這個電子或正電子產生「交流」。這樣一來，就發生了相互作用。

在這種相互作用過程中，光子僅僅是撞到了電子或正電子上，然後毫髮無損，繼續走自己的路。而被撞的電子或正電子很快便會找到自己的伴侶，重新變回光子。所以兩個光子相撞後，它們只會從對方身上彈開，不會有什麼影響。但這種交流本身就已經非常了不起了。

有多了不起呢？這麼說吧，這支研究團隊總共進行了數萬萬億次撞擊，總共只探測到了59次可能的碰撞，只有59次！

但這59次互動透露了怎樣的宇宙信息呢？首先，它證實了「光子並不永遠是光子」這一點

此外，通過深挖這些粒子的量子本質，我們還可以了解到一些新的物理知識。比如說，在一些試圖推動已知粒子物理邊界的精妙模型中，這些光子之間的互動發生的概率也略有不同。這或許能為我們提供一種探索和測試這些模型的方法。目前，我們還沒有足夠的數據，無法判斷這些模型之間的區別。但如今有了相應的技術，我們也許能有所推進。

希望在不久的將來，我們真的能為目前這種「兩眼一抹黑」的情況帶來「一線光明」。