Rudolf Cole
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En caso de que no te hayas dado cuenta, los fotones son pequeños pedazos de luz. De hecho, son la menor cantidad de luz posible. Cuando enciendes una lámpara, una cantidad gigantesca de fotones brotan de esa bombilla y golpean tus ojos, donde son absorbidos por tu retina y se convierten en una señal eléctrica para que puedas ver lo que estás haciendo..
Entonces, puedes imaginar cuántos fotones te rodean al mismo tiempo. No solo de las luces de su habitación, sino que los fotones también entran por la ventana desde el sol. Incluso su propio cuerpo genera fotones, pero hasta el final en energías infrarrojas, por lo que necesita gafas de visión nocturna para verlos. Pero siguen ahí.
Y, por supuesto, todas las ondas de radio y los rayos ultravioleta y todos los demás rayos te bombardean constantemente a ti y a todo lo demás con un flujo interminable de fotones..
Son fotones en todas partes.
Se supone que estos pequeños paquetes de luz no interactúan entre sí, esencialmente sin tener "conciencia" de que los demás existen. Las leyes de la física son tales que un fotón pasa junto a otro sin interacción. [Los 18 mayores misterios sin resolver de la física]
Eso es lo que pensaban los físicos, al menos. Pero en un nuevo experimento dentro del destructor de átomos más poderoso del mundo, los investigadores vislumbraron lo imposible: los fotones chocando entre sí. ¿La captura? Estos fotones estaban un poco fuera de juego, lo que significa que no estaban actuando como ellos mismos y, en cambio, se habían vuelto "virtuales" temporalmente. Al estudiar estas interacciones superraras, los físicos esperan revelar algunas de las propiedades fundamentales de la luz y posiblemente incluso descubrir nuevas físicas de alta energía, como las grandes teorías unificadas y (tal vez) la supersimetría..
Un toque ligero
Por lo general, es bueno que los fotones no interactúen entre sí ni reboten entre sí, porque eso sería una locura total con fotones que nunca van a ninguna parte en ningún tipo de línea recta. Entonces, afortunadamente, dos fotones simplemente se deslizarán entre sí como si el otro ni siquiera existiera..
Es decir, la mayor parte del tiempo.
En experimentos de alta energía, podemos (con mucho esfuerzo) hacer que dos fotones se golpeen entre sí, aunque esto sucede muy raramente. Los físicos están interesados en este tipo de proceso porque revela algunas propiedades muy profundas de la naturaleza de la luz y podría ayudar a descubrir algunas físicas inesperadas. [18 veces las partículas cuánticas nos dejaron boquiabiertos]
Los fotones rara vez interactúan entre sí porque se conectan solo con partículas que tienen cargas eléctricas. Es solo una de esas reglas del universo por las que tenemos que vivir. Pero si esta es la regla del universo, ¿cómo podríamos conseguir que dos fotones, que no tienen carga, se conecten entre sí??
Cuando un fotón no es
La respuesta está en uno de los aspectos más inescrutables y deliciosos de la física moderna, y se conoce con el nombre original de electrodinámica cuántica..
En esta imagen del mundo subatómico, el fotón no es necesariamente un fotón. Bueno, al menos, no siempre es un fotón. Las partículas como electrones y fotones y todos los demás -ones se mueven continuamente hacia adelante y hacia atrás, cambiando de identidad a medida que viajan. Parece confuso al principio: ¿cómo podría, digamos, un rayo de luz ser algo más que un rayo de luz??
Para comprender este comportamiento loco, necesitamos expandir un poco nuestra conciencia (para tomar prestada una expresión).
En el caso de los fotones, a medida que viajan, de vez en cuando (y tenga en cuenta que esto es extremadamente, extremadamente raro), uno puede cambiar de opinión. Y en lugar de ser solo un fotón, puede convertirse en un par de partículas, un electrón cargado negativamente y un positrón cargado positivamente (el compañero de antimateria del electrón), que viajan juntos..
Parpadea y te lo perderás, porque el positrón y el electrón se encontrarán y, como sucede cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan, puf. El par impar volverá a convertirse en un fotón..
Por varias razones que son demasiado complicadas para abordar en este momento, cuando esto sucede, estos pares se denominan partículas virtuales. Basta decir que en casi todos los casos nunca se llega a interactuar con las partículas virtuales (en este caso, el positrón y el electrón), y solo se llega a hablar con el fotón..
Pero no en todos los casos.
Una luz en la oscuridad
En una serie de experimentos llevados a cabo por la colaboración ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones debajo de la frontera franco-suiza y recientemente presentados a la revista en línea de preimpresión arXiv, el equipo pasó demasiado tiempo golpeando núcleos de plomo entre sí a casi la velocidad de la luz. . Sin embargo, en realidad no dejaron que las partículas de plomo se golpearan entre sí; en cambio, las partes simplemente se acercaron mucho, mucho, mucho. [Fotos: El destructor de átomos más grande del mundo (LHC)]
De esta manera, en lugar de tener que lidiar con un desorden gigantesco de una colisión, que incluye muchas partículas, fuerzas y energías adicionales, los átomos de plomo simplemente interactuaron a través de la fuerza electromagnética. En otras palabras, simplemente intercambiaron muchos fotones..
Y de vez en cuando, extremadamente, increíblemente raramente, uno de esos fotones se convertiría brevemente en un par compuesto por un positrón y un electrón; luego, otro fotón vería uno de esos positrones o electrones y le hablaría. Se produciría una interacción.
Ahora, en esta interacción, el fotón simplemente choca con el electrón o el positrón y sigue su camino alegre sin ningún daño. Finalmente, ese positrón o electrón encuentra su pareja y vuelve a ser un fotón, por lo que el resultado de dos fotones chocando entre sí es solo dos fotones rebotando entre sí. Pero el hecho de que pudieran hablar entre ellos es notable.
¿Qué tan notable? Bueno, después de billones y billones de colisiones, el equipo detectó un total de 59 posibles intersecciones. Solo 59.
Pero, ¿qué nos dicen esas 59 interacciones sobre el universo? Por un lado, validan esta imagen de que un fotón no siempre es un fotón..
Y al profundizar en la naturaleza cuántica de estas partículas, podríamos aprender algo de física nueva. Por ejemplo, en algunos modelos sofisticados que traspasan los límites de la física de partículas conocida, estas interacciones de fotones ocurren a velocidades ligeramente diferentes, lo que potencialmente nos da una forma de explorar y probar estos modelos. En este momento, no tenemos suficientes datos para decir las diferencias entre ninguno de estos modelos. Pero ahora que la técnica está establecida, podríamos hacer algunos avances.
Y tendrás que disculpar el juego de palabras de cierre muy obvio aquí, pero con suerte pronto, podemos arrojar algo de luz sobre la situación..
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Paul M. Sutter es un astrofísico en La Universidad Estatal de Ohio, gran cantidad de "Pregúntale a un astronauta" y "Radio espacial,"y autor de"Tu lugar en el universo."
Publicado originalmente el .