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

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.

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.