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光与光相遇后会发生什么?

编辑时间:2017-09-13   作者:   来源:蝌蚪五线谱   阅读次数: 25

光与光相遇后会发生什么? 

上图描述的是探测到的光散射现象。图片来源: ATLAS/CERN

光是很神奇的东西。它是由一种名为光子的亚原子粒子组成,但又具备波的性质(干涉和衍射)。现代物理学也证实了光具有波粒二象性。光子会产生纠缠态,即多粒子叠加;它们会反射、衍射、折射;它们有角动量,但没有质量。

光从未被观察到像斯诺克球一样,互相碰撞后改变方向的现象。但欧洲核子研究组织的超环面仪器(ATLAS),即大型强子对撞器(LHC)的7个实验侦测器之一,观测到了这一现象第一次实际发生的情况,其中两个光束相互碰撞,然后改变了轨迹。

这个现象是“不确定性原理”中的光散射现象,由Hans Heinrich Euler和Werner Heisenberg首次于1936年进行描述,并由Robert Karplus和Maurice Neuman于1951年推断得出计算公式。该现象表现为,当将光照到另一个光粒子上,一部分光波将被此粒子散射开来,由此便能指明该粒子的位置。

德国电子同步加速器研究中心的研究人员Mateusz Dyndal表示:“根据经典的电动力学,光穿过光的时候不会发生散射现象,因为该现象是产生于光通过不均匀介质的时候。”

“但如果考虑到量子物理学,光是会被光散射的,尽管这种现象似乎非常不可能。”

伦敦大学学院的物理学教授Jon Butterworth在他为《卫报》撰写的一篇文章中,将这两束光比喻成了两个橡胶球。

超环面仪器的实验观测始于2015年,试验中,铅原子核在大型强子对撞器中高速碰撞。该粒子的能量比粒子加速器平时使用的质子更高,这意味着实验中存在着一团致密的光束。而这高能量的光再和光发生碰撞,便出现了神奇的散射现象。

重离子(质量数大于4的原子核)通常不会发生碰撞,但光子可以发生所谓的非弹性碰撞,即粒子在碰撞中向另一个能级跃迁时发生散射现象。

在研究小组分析的40亿事件中,他们发现了13个候选事件,这些事件的相同点在于两个光子相互作用后改变了方向,而不是相互传递汇成一束光。

如上图所示,超环面仪器探测到了两个光子在圆形的中心相遇,而黄色和绿色区域则代表了散射光子所沉积的能量。

物理研究员Dan Tovey表示:“这是一个里程碑式的结果,是有史以来第一个证明了光能够和自身发生相互作用的证据。”

该研究发表在了《自然物理》杂志上。

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