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 enciende una lámpara, una cantidad gigantesca de fotones brota de ese foco y se estrella contra sus ojos, donde son absorbidos por su retina y se convierten en una señal eléctrica para que pueda ver lo que está haciendo.
Entonces, puedes imaginar cuántos fotones te rodean a la vez. No solo por las luces de tu habitación, sino que los fotones también fluyen a través de la ventana desde el sol. Incluso su propio cuerpo genera fotones, pero hasta abajo en energías infrarrojas, por lo que necesita gafas de visión nocturna para verlos. Pero todavía están allí.
Y, por supuesto, todas las ondas de radio y los rayos ultravioleta y todos los demás rayos constantemente te bombardean 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 otros existen. Las leyes de la física son tales que un fotón simplemente pasa por otro con interacción cero.
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 pudieron ver lo imposible: los fotones chocan 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 convertido temporalmente en "virtuales". Al estudiar estas interacciones súper raras, los físicos esperan revelar algunas de las propiedades fundamentales de la luz y posiblemente incluso descubrir nuevas físicas de alta energía, como grandes teorías unificadas y (tal vez) supersimetría.
Un ligero toque
Por lo general, es bueno que los fotones no interactúen entre sí o reboten entre sí, porque eso sería un manicomio total con fotones que nunca van a ninguna parte en ningún tipo de línea recta. Entonces, afortunadamente, dos fotones simplemente se deslizarán uno junto al otro como si el otro ni siquiera existiera.
Es decir, la mayoría de las veces.
En experimentos de alta energía, podemos (con mucha grasa en el codo) hacer que dos fotones se golpeen entre sí, aunque esto ocurre muy raramente. Los físicos están interesados en este tipo de proceso porque revela algunas propiedades muy profundas de la naturaleza de la luz misma y podría ayudar a descubrir alguna física inesperada.
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 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 se encuentra en uno de los aspectos más inescrutables y deliciosos de la física moderna, y se conoce con el nombre funky de la 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 los electrones y fotones y todos los demás -ons cambian continuamente de un lado a otro, cambiando las identidades a medida que viajan. Parece confuso al principio: ¿cómo podría, por ejemplo, un rayo de luz ser algo más que un rayo de luz?
Para entender este comportamiento extraño, 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 antimateria del electrón), que viajan juntos.
Parpadea y te lo perderás, porque el positrón y el electrón se encontrarán entre sí y, como sucede cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan y se hinchan. El par impar se convertirá nuevamente en un fotón.
Por varias razones que son demasiado complicadas para entrar en este momento, cuando esto sucede, estos pares se llaman partículas virtuales. Baste decir que en casi todos los casos nunca se puede interactuar con las partículas virtuales (en este caso, el positrón y el electrón), y solo se puede 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 de ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones debajo de la frontera franco-suiza y recientemente presentado en la revista de preimpresión en línea arXiv, el equipo pasó demasiado tiempo golpeando núcleos de plomo entre ellos a casi la velocidad de la luz . Sin embargo, en realidad no dejaron que las partículas de plomo se golpearan entre sí; en cambio, los bits simplemente llegaron muy, muy, muy, muy cerca.
De esta manera, en lugar de tener que lidiar con un desorden gigantesco de una colisión, incluidas 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; entonces, otro fotón vería uno de esos positrones o electrones y hablaría con él. Se produciría una interacción.
Ahora, en esta interacción, el fotón choca con el electrón o el positrón y se alegra sin causar daño. Finalmente, ese positrón o electrón encuentra su compañero y vuelve a ser un fotón, por lo que el resultado de que dos fotones se golpeen entre sí es solo dos fotones que rebotan entre sí. Pero que pudieron hablar entre ellos es notable.
Que notable Bueno, después de billones y billones de colisiones, el equipo detectó un total de 59 intersecciones potenciales. 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 superan los límites de la física de partículas conocida, estas interacciones de fotones ocurren a tasas ligeramente diferentes, lo que nos brinda una forma de explorar y probar estos modelos. En este momento, no tenemos suficientes datos para distinguir las diferencias entre ninguno de estos modelos. Pero ahora que la técnica está establecida, podríamos avanzar.
Y tendrá que disculpar el juego de palabras de cierre muy obvio aquí, pero con suerte pronto, podemos arrojar algo de luz sobre la situación.
Paul M. Sutter es astrofísico en La universidad de estado de Ohio, gran cantidad de "Pregúntale a un astronauta" y "Radio espacial,"y autor de"Tu lugar en el universo."
