Почему два луча света не сталкиваются и не уничтожают друг друга?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Полагаю, что вам известна специфика поведения света и его строения. По существующим представлениям свет состоит из фотонов. И, несмотря на множество противоречий и сложностей в понимании природы самого фотона, мы можем смело полагать, что работаем с квантами определенного типа или пакетами энергии. Обобщая всё это выходит, что свет состоит из группы таких пакетов энергии, которые перемещаются в пространстве.

По этой логике уместно полагать, что эти пакеты энергии может быть и будут отличаться друг от друга рядом параметров, но являются материей «примерно одного типа» или даже чем-то похожим на обычное вещество, а значит если они попадут в одно пространство, то должны по идее как-то друг с другом взаимодействовать. Или, если сильно упростить всё сказанное, свет от одного фонарика должен мешать свету от другого фонарика. Ведь фотоны-то это некоторая субстанция, которая будет толкать другую такую же. Примерно как горошины мешают друг другу в банке.

Два луча света не пересекаются в обычных условиях
Два луча света не пересекаются в обычных условиях
Автор: freepik Источник: ru.freepik.com

Что же, давайте проведем небольшой эксперимент. Возьмите два фонарика, включите их и теперь перекройте световые лучи, которые они испускают. Если бы световые лучи мешали друг другу, а фотоны действительно взаимодействовали, то вы бы увидели некоторый результат этого процесса. Может быть лучи стали бы ярче или наоборот всё бы потухло. Может быть цвет света бы изменился. Но ничего этого нет.

Потому мы экспериментально подтверждаем, что фотоны не взаимодействуют друг с другом.

Как физика объясняет такое поведение?

Оказывается, физикам тоже стало интересно почему это вдруг фотоны не мешают друг другу и есть довольно солидное объяснение этой проблемы.

Вопрос имеет важное прикладное значение. Ведь если бы удалось заставить два фотона «проинтерферировать» друг с другом, то можно было бы делать какие-то умопомрачительные объёмные голограммы прямо в воздухе без вспомогательного оборудования. Достаточно было бы сложить два луча. Но в учебнике школьного уровня обычно написано, что фотоны не участвуют в интерференции.

Если искать ответы «почему», то сперва мы найдем классическую электродинамику. Фотон есть квант света и среди уравнений Максвелла нет взаимодействия типа «свет-свет». Потому и свет проходит сквозь другой свет как будто его нет. Тут же обычно отмечается, что фотоны не взаимодействуют друг с другом по причине отсутствия у них электрического заряда, а без него частицы нейтральны.

Более глубокое объяснение подразумевает, что фотон относится к семейству бозонов, а потому имеет целочисленный спин, равный 1. Бозоны, подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна, могут свободно накладываться друг на друга. Они не взаимодействуют сами с собой, и их может быть бесконечное количество в одной точке. Будь у них спин 1/2 отталкивание уже бы происходило.

В квантовой электродинамике всё уже интереснее — фотон может взаимодействовать с таким же фотоном через виртуальные частицы. Например, два фотона могут обменяться виртуальной парой электрон-позитрон. Но вероятность события крайне мала и на обычном уровне света мы этого не замечаем.

Чтобы заметить эффект, нужны ультраинтенсивные лазеры или условия, как в экспериментах на ускорителях. Соответственно, фотоны всё-таки… мешают друг другу. Но не всегда.

В обычной же среде (например, кристаллы, плазма) электромагнитные поля могут влиять друг на друга через материю. Например, в нелинейной оптике существуют частоты удвоения и смешение лучей. Но здесь фотон не взаимодействует напрямую с фотоном, а опосредованно через вещество.

Так что же, опять всё слишком упрощено?

На практике получается, что при некоторых условиях фотоны вполне могут взаимодействовать друг с другом напрямую. Мы же обычно пользуемся упрощениями, которые нужны для практического применения знаний в обычных условиях.

Между тем, более глубокое изучение вопроса открывает и куда более интересные вопросы и возможности. Прямое взаимодействие фотонов подразумевает по сути, что их столкновение может приводить к появлению вещества из пустоты.

Долгое время такая возможность воспринималась лишь как гипотеза. Но вместе с теоретическим предположением такого эффекта, есть и работы на этот счёт (например, вот такой эксперимент). Там в условиях коллайдера фотон рассеивался на фотоне и это слегка выходит за рамки школьной физики.

Изображение в превью:
Автор: freepik
Источник: ru.freepik.com
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
Изучаю физику и стараюсь познать устройство мира с её помощью. Делюсь наработками и открытиями с вами. Кандидат наук, научный сотрудник и когда-то преподаватель. Автор научных статей в рецензируемых журналах. Рассказываю интересное про популярную науку и физику на YouTube, заходите в гости! Читайте мои статьи на этой страничке ixbt и в Telegram-канале!

1 комментарий

a
И к чему эта наукообразная ерунда да еще с ошибками? Бозоны не при чем. Те же нейтрино — фермионы, но друг с другом взаимодействуют примерно так же, как фотоны с фотонами. На низких энергиях практически никак. Плюс, «кандидат наук, научный сотрудник, изучающий физику» почему-то забыл о таких известных даже школьникам явлениях, как интерференция и дифракция света, когда интенсивность света уменьшается или увеличивается. Это же классика волновой оптики.
Чем ниже энергии фотонов, тем меньше они проявляют свои квантовые свойства и тем лучше описываются классическими уравнениями. Поэтому для обычного света очень сложно найти примеры проявления квантовых свойств. Разве что фотоэффект начинает проявляться, да и то при энергиях выше «красной границы». А вот гамма-излучение уже практически не описывается уравнениями Максвелла, там квантовые свойства света проявляются во всей красе.
Кстати, сечения рождения пар W-бозонов в фотон-фотонных взаимодействиях при энергиях порядка 1ТэВ кратно выше, чем у электрон-позитронных столкновений при тех же энергиях.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Что будет, если возвести бесконечность в степень бесконечности? Вековую проблему решили с помощью игры для двоих

В основе современной математики лежит теория множеств — дисциплина, которая изучает совокупности объектов и их размеры. Когда речь идет о конечных наборах предметов, определить их размер...

Как работает память осьминога: ученые нашли в его мозге механизм, которого нет у человека

Осьминоги считаются одними из самых сообразительных животных на планете. В лабораториях и в дикой природе они решают сложные задачи, вскрывают закрытые контейнеры с едой, запоминают расположение...

Мы проводим 10% дня с закрытыми глазами: почему моргание не мешает нам видеть мир

Человек моргает каждые несколько секунд. Если сложить длительность всех этих коротких пауз за день, окажется, что до 10% времени бодрствования мы проводим с полностью закрытыми глазами. При...

Перфокарты считают население: как машина Холлерита обрабатывала перепись США 1890 года

В 1890 году в Вашингтоне происходило странное превращение. Миллионы ответов, записанных переписчиками на бумажных бланках, переносили на плотные карточки. Вместо фамилий и предложений на них...

Почему в СССР ступени в подъездах красили только по краям

Если вы зайдете в подъезд любой советской хрущевки, панельной девятиэтажки или сталинки, то наверняка увидите эту картину: лестничные марши выкрашены коричневой или зеленой масляной краской строго...

Морских выдр почти выбили ради меха — после этого морские ежи начали уничтожать подводные леса

В XVIII веке морская выдра была обычным хищником огромной полосы побережья северной части Тихого океана — от Японии и Курильских островов через Алеуты и Аляску до Калифорнии. Через...