Влияют ли фотоны друг на друга

Фотоны — это элементарные частицы , и их взаимодействие диктуется квантовой механикой.

В квантовой механике сила взаимодействия исходит из константы связи , которая характеризует силу взаимодействия между взаимодействующими частицами. Чтобы увидеть, взаимодействует ли частица с другой частицей, мы записываем диаграммы Фейнмана (страница вниз по ссылке). Когда вычисляют вероятность взаимодействия, вычисляют квадрат диаграммы Фейнмана, и при вычислении каждая вершина диаграммы имеет константу связи.

В случае взаимодействия фотона с фотоном есть много вершин, которые входят:

Диаграмма Фейнмана (блочная диаграмма) для фотон-фотонного рассеяния, один фотон рассеивается из-за нестационарных флуктуаций заряда другого в вакууме.

Квадрат окончательного расчета этого будет пропорционален крошечной электромагнитной связи, возведенной в 8-ю степень, так как она является мультипликативной. Таким образом, вероятность взаимодействия фотона с другим фотоном практически равна нулю для света и низких энергий в нашем окружении (другие факторы вносят свой вклад в пересечение и могут повышать вероятность).

Таким образом, существует очень малая вероятность того, что фотон повлияет на путь другого фотона, неизмеримая при нормальной энергии фотонов. При достижении энергий гамма-излучения порядка МэВ открываются дополнительные диаграммы образования пар, а это уже другая история, потому что количество электромагнитных вершин уменьшается вдвое, поэтому вероятность намного выше, а также вероятность растет с энергией . Есть предложения по гамма-гамма-коллайдерам .

Фотоны идут в ногу друг с другом , т.е. они создают когерентную электромагнитную волну, и существует коллективная волновая функция, которая может проявлять интерференционные эффекты, но это суперпозиция, сложение волновых функций, а не взаимодействие. Комплексно-сопряженный квадрат коллективной волновой функции является измеримой величиной.

Что касается других ваших вопросов,

Два бозона на два фермиона: это возможно с точки зрения сохранения квантовых чисел, за исключением того, что бозоны, которыми мы можем управлять в лаборатории, нестабильны и не могут использоваться в экспериментах по рассеянию, которые мы можем контролировать. Мы полагаемся на тот факт, что стандартная модель подтверждена, и исходим из теоретических свойств, которые она придает частицам. Эти реакции важны в космологической модели, где в самые ранние моменты времени, через 10^-32 секунды, существует суп из энергии и частиц.

Вопрос действительно имеет несколько ответов, потому что вы можете рассмотреть несколько ситуаций.

В классической электродинамике в вакууме нет взаимодействия света со светом, потому что уравнения линейны. В классической физике, если вы пересечете два лазерных луча в вакууме , ни один из них не повлияет на другой.

В присутствии среды возникает нелинейный отклик среды. Электрические и магнитные поля света воздействуют на частицы в среде. Поскольку положительно и отрицательно заряженные частицы испытывают противоположные силы (и могут иметь существенно разную массу), в среде создаются суммарные заряды и токи, которые создают новые электрические и магнитные поля. Таким образом, выстрел двумя лазерами в плазму одновременно отличается от выстрела одним, а затем другим. Волны влияют друг на друга, носложно назвать это взаимодействием света со светом. В среде волна всегда является и электромагнитной волной, и волной материи. В плазме мы называем их плазмонами, и это действительно плазмон-плазмонное взаимодействие.

Взаимодействие света со светом в вакууме — вещь строго квантовая, потому что процесс$e^+ e^- \to \gamma + \gamma$, переменное число частиц, — это явление, которое чрезвычайно точно вписывается в квантовую теорию поля, но не в классическую или нерелятивистскую квантовую механику.

Теперь квантовая электродинамика позволяет не только$e^+ e^- \to \gamma + \gamma$но и обратный процесс$\gamma + \gamma \to e^+ e^-$. В настоящее время вы можете наблюдать за первым процессом с помощью настольного оборудования в студенческой лаборатории. Последний до сих пор не наблюдался в лаборатории. Но квантовая электродинамика — это наиболее проверенная часть физики, и нет правдоподобного способа модифицировать ее, чтобы запретить$\gamma + \gamma \to e^+ e^-$. Дело не в том, что «хорошо, эта постоянная была другой, чем мы думали», а в том, чтобы изобрести что-то отличное от квантовой теории поля, а также избавиться от специальной теории относительности.

Я осмеливаюсь быть уверенным в том, что никогда не наблюдалось напрямую, потому что каждый достаточно точный КЭД-эксперимент является косвенным тестом скорости$\gamma + \gamma \to e^+ e^-$. Это связано с тем, что квантовая механика в формулировке интеграла по траекториям Фейнмана говорит мне, что для вычисления амплитуды вероятности перехода от$A$к$B$Я должен сложить амплитуды для всех способов добраться из$A$к$B$. Что ж, в теории поля это означает, например, для электрон-позитронного рассеяния, что я должен рассматривать этот процесс аннигиляции частиц, а затем фотонов, создающих новую пару частиц. И тогда я полагаюсь на скорость для$\gamma+\gamma\to e^+e^-$.

Естественно, для распространения двух фотонов мне нужно рассмотреть этот процесс, который представляет собой подлинное взаимодействие света со светом. Здесь нет реальных электронов или позитронов, которые бы опосредовали взаимодействие — это описание — просто инструмент для вычислений, а не «что происходит на самом деле», — но КЭД в любом случае предсказывает рассеяние света светом.

Возможно, это не совсем то, что вам нужно, но хотя фотон-фотонное взаимодействие в вакууме, как описано выше, чрезвычайно слабое, фотон-фотонное взаимодействие в присутствии среды может быть очень заметным, одним из ярких примеров является оптический эффект Керра . Оптические нелинейности можно даже сделать настолько большими, чтобы опосредовать взаимодействия между отдельными фотонами, например здесь или здесь .

Предостережение: в оптических нелинейностях, описанных выше, фотоны действительно меняют траектории друг друга, но для этого требуется присутствие материи.

В течение первой секунды после Большого взрыва, когда Вселенная была чрезвычайно мала, а температура составляла миллионы кельвинов, фотоны действительно взаимодействовали и превращались в пару протон-антипротон, или пару электрон-позитрон, или пару положительный каон-отрицательный каон, или другую частицу-античастицу. пары. Эти пары частица-античастица затем преобразуются в пары фотон-фотон и наоборот. Таким образом, фотон (излучение) и материя (электрон, протон, каон, пион и т. д.) находились в тепловом равновесии.