Физики впервые увидели столкновение фотона с фотоном
Диаграмма Фейнмана для рассеяния фотона на фотоне. Сами фотоны не могут взаимодействовать друг с другом, так как они — нейтральные частицы. Поэтому один из фотонов превращается в пару частица-античастица, с которой и взаимодействует другой фотон.
Физики из коллаборации ATLAS впервые зарегистрировали эффект рассеяния квантов света, фотонов, на фотонах. Этот эффект — одно из старейших предсказаний квантовой электродинамики, он был описан теоретически более 70 лет назад, но до сих пор не был обнаружен экспериментально. Интересно, что он нарушает классические уравнения Максвелла, являясь чисто квантовым явлением. Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Nature Physics, однако препринт статьи вышел еще в феврале 2017 года. Подробности о нем сообщал портал «Элементы.ру»
Одно из главных свойств классической максвелловской электродинамики — принцип суперпозиции для электромагнитных полей в вакууме. Он позволяет напрямую складывать поля от разных зарядов. Так как фотоны — это возбуждения полей, то в рамках классической электродинамики они не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо этого они должны свободно проходить друг через друга.
Магниты детектора ATLAS
CERN
Квантовая электродинамика расширяет действие классической теории на движение заряженных частиц с околосветовыми скоростями, кроме того она учитывает квантование энергии полей. Благодаря этому в квантовой электродинамике можно объяснить необычные явления, связанные с высокоэнергетичными процессами — например, рождение из вакуума пар электронов и позитронов в полях высокой интенсивности.
В рамках квантовой электродинамики два фотона могут столкнуться друг с другом и рассеяться. Но этот процесс идет не напрямую — кванты света незаряжены и не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо этого происходит промежуточное образование виртуальной пары частица-античастица (электрон-позитрон) из одного фотона, с которой и взаимодействует второй фотон. Такой процесс очень маловероятен для квантов видимого света. Оценить это можно из того, что свет от квазаров, удаленных на 10 миллиардов световых лет, достигает Земли. Но с ростом энергии фотонов вероятность процесса с рождением виртуальных электронов возрастает.
До сих пор интенсивности и энергий даже самых мощных лазеров не хватало для того, чтобы увидеть рассеяние фотонов напрямую. Однако исследователи уже нашли способ увидеть этот процесс косвенно, например, в процессах распада одного фотона на пару более низкоэнергетичных квантов вблизи тяжелого ядра атома.
Увидеть напрямую рассеяние фотона на фотоне удалось лишь в Большом адронном коллайдере. Процесс стал различимым в экспериментах после увеличения энергии частиц в ускорителе в 2015 году — с запуском Run 2. Физики коллаборации ATLAS исследовали процессы «ультрапериферийных» столкновений между тяжелыми ядрами свинца, разогнанными коллайдером до энергий 5 тераэлектронвольт на нуклон ядра. В таких столкновениях сами ядра не сталкиваются между собой напрямую. Вместо этого происходит взаимодействие их электромагнитных полей, в которых возникают фотоны огромных энергий (это связано с близостью скорости ядер к скорости света).
Событие рассеяния фотона на фотоне (желтые пучки)
CERN
Ультрапериферийные столкновения отличаются большой чистотой. В них, в случае успешного рассеяния, возникает лишь пара фотонов с направленными в разные стороны поперечными импульсами. В противоположность этому обычные столкновения ядер образуют тысячи новых частиц-осколков. Среди четырех миллиардов событий, собранных ATLAS в 2015 году на статистике столкновений ядер свинца ученым удалось отобрать 13, соответствующих рассеянию. Это примерно в 4,5 раза больше, чем фоновый сигнал, который ожидали увидеть физики.
Схема процесса рассеяния в коллайдере. Два ядра пролетают вблизи — их электромагнитные поля взаимодействуют
The ATLAS Collaboration
Коллаборация продолжит исследовать процесс в конце 2018 года, когда на коллайдере вновь пройдет сеанс столкновений тяжелых ядер. Интересно, что именно детектор ATLAS оказался подходящим для поиска редких событий рассеяния фотонов на фотонах, хотя для анализа столкновений тяжелых ядер был специально разработан другой эксперимент — ALICE.
Сейчас на Большом адронном коллайдере продолжается набор статистики протон-протонных столкновений. Недавно ученые отчитались об открытии на ускорителе первого дважды очарованного бариона, а еще весной физики коллаборации ATLAS рассказали о необычном избытке событий рождения двух бозонов слабого взаимодействия в области высоких энергий (около трех тераэлектроновольт). Он может указывать на новую сверхтяжелую частицу, однако статистическая значимость сигнала пока не превышает трех сигма.
Волна – ключевое понятие Вселенной
Фотон, как частица корпускулярно-волнового дуализма, движется от светила подобно (с учетом масштаба) пловцу в бассейне или сперматозоиду во влагалище, толкая перед собой волну.
Размышления о фотонах, их взаимодействии с веществом и зеркалах.
Листая пикабу наткнулся на пост человека, где он просил объяснить ему как фотоны отражаются от предметов. Этим постом я постараюсь дать ответ на этот вопрос.
Для начала поймем что такое фотон.
Википедия нам говорит:
Фотон (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения.
Но что это значит? В квантовой теории поля(основы современной физики частиц) все взаимодействия между чем угодно и чем угодно описываются с помощью так называемых частиц переносчиков. Два взаимодействующих объекта обмениваются переносчиками и посредством этого взаимодействуют, как два играющих в мяч мальчика. Один мальчик пинает мяч, который прилетая ко второму мальчику касается его и толкает немного, то есть оказывает на него воздействие. Так вот, фотон частица-переносчик электромагнитного взаимодействия. Но откуда они рождаются когда два тела взаимодействуют, есть же закон сохранения энергии, закон сохранения импульса? Теперь вспомним(или узнаем:) школьную физику 11-го класса. А именно неравенство Гейзенберга.(про него мы еще раз вспомним чуть позже)
Что он нам даёт в этом случае? А то, что закон сохранения энергии может нарушаться на короткое время. Так и рождаются виртуальные фотоны, которыми и обмениваются взаимодействующие объекты.
Хорошо, но ведь мы видим свет, а значит не все фотоны виртуальны? Да, это действительно так. Углубляться в то, почему некоторые фотоны виртуальны, а некоторые реальны. Главное что бы вы уяснили - любое электромагнитное поле - это набор фотонов, виртуальных и/или реальных.
Теперь перейдем к взаимодействию фотонов с веществом. Способов взаимодействия множество, огромное. Но нам для понимания отражения фотона от чего-либо хватит одного. А именно комптоновского рассеяния(так, не бояться, сейчас все объясню). Комптоновское рассеяние - это рассеяние фотона на квантовых частицах(атомах, ядрах, протонах и так далее до бесконечности) с перераспределением энергии и импульса между частицей.
Как происходит комптоновское рассеяние? Фотон "налетает" на частицу и поглощается ей на короткое время(мы же помним про неравенство Гейзенберга, оно нам позволяет это делать) и его энергия и импульс "как бы" исчезают в частице.
Потом частица рождает новый фотон и он вылетает уже под каким-то углом к изначальному направлению(иногда и нулевым). Нам важно что он может родиться и улететь назад. При этом он отдает часть энергии и импульса частица, на которой рассеялся. Теперь надо понять, что улетая назад, фотон хоть и меняет свою энергию(а значит и длину волны), но не сильно(для фотонов видимого света и более высоких энергий это верно). Можете сесть честно руками посчитать как изменится энергия фотона при рассеянии его на покоящемся ядре назад. Закон сохранения импульса, закон сохранения энергии в помощь. Но главное что длина волны меняется не сильно для фотонов видимого диапазона.
Хорошо, мы поняли что фотон может улететь назад, рассеявшись на веществе и что любое электромагнитное поле - это фотоны.
Тогда посмотрим на зеркало внимательнее. А точнее на процесс отражения света.
Свет это что? Правильно, электромагнитная волна, а точнее электромагнитное поле. А значит много-много фотонов. Налетая на зеркало они встречаются с веществом и частицами в нем(а мы помним, что вещество состоит из атомов, атомы состоят из ядра и электронов и так далее до кварков, глюонов и других петлевых поправок). Теперь вспоминаем что фотоны могут рассеиваться назад на частицах. Ух ты, у нас налетел поток фотонов и часть из них рассеялась назад и полетела обратно! Вот и отражения света от вещества! Ура, мы поняли почему мы хоть что-то видим в этом мире(не до конца, но поняли).
Стоит отдельно отметить, что на использованные свойства фотона его безмассовость не влияет, так как он на очень короткое время исчезает и потом новый фотон летящий к нам в глаз рождается.
Надеюсь не слишком сложно вышло. Если есть интересующие вас вопросы по физике - пишите, попробуй на них ответить(если они конечно будут интересные, а не решающиеся методом внимательного гугления).
Ну и напоследок задачка.
Почему в зеркале право и лево меняются местами, а верх с низом нет? Как связаны с предыдущим вопросом левые и правые тройки векторов и CPT-теорема?
Спасибо за внимание!
Скорость света?
Просветите мой ГСМ.
Как наука вычислила расстояние до звезды, если свет исходящий от нее был на Земле до изобретения телескопа?
Помогите советом
Добрые сутки пользователи пикабу. Постараюсь вкратце рассказать.
Владею автомобилем фотон (грузоподьёмностью 7т) Мотор оч. слабенький (135 лошадей) За два года эксплуатации второй раз полетел движок. Ребят, мне не нужны советы по ремонту или восстановлению этого движка. Он меня достал (или я его)
Карочь, смысл в том , что хочу поставить б/у контрактник.
Может кто подскажет что и как.Конкретно кто сталкивался В интернете ничего накопать не могу, машина стоит, я без денег.
Что купить, чтобы заниматься спортом на улице
Несмотря на капризы погоды, лето неумолимо приближается. Значит, занятия в спортивном зале или домашние тренировки получится заменить на активности под открытым небом. Собрали для вас товары, которые сделают уличные воркауты интереснее, увлекательнее и полезнее.
Мегамаркет дарит пикабушникам промокод килобайт. Он дает скидку 2 000 рублей на первую покупку от 4 000 рублей и действует до 31 мая. Полные правила здесь.
Для тех, кто привык заниматься один
В компактную поясную сумку поместятся телефон, ключи, кошелек или другие нужные мелочи. Во время тренировки все это не гремит и не мешает, но всегда находится под рукой. Материал сумки прочный и влагонепроницаемый, вещи в ней защищены от повреждений, царапин или пота.
С фитнес-резинкой можно тренировать все группы мышц: руки, ноги, кор, ягодицы. А еще она облегчает подтягивания и помогает мягко растягиваться. В сети можно найти огромное количество роликов с упражнениями разной степени сложности. Нагрузка легко дозируется: новичкам подойдет резинка с сопротивлением до 23 кг, опытным атлетам — до 57 кг. При этом оборудование максимально компактно и поместится даже в небольшую сумку.
Для тех, кому надоели обычные тренировки. Слэклайн — это стропа шириной 50 мм, с помощью которой осваивают хождение по канату. Тренажер учит сохранять баланс, прокачивает координацию и концентрацию, а еще дает отличную нагрузку на спину, руки и ноги.
Для активных занятий вдвоем
Настольный теннис — простой в освоении вид спорта, который отлично помогает размяться и тренирует скорость реакции. В комплект входят две ракетки, три мяча, сетка, накладка и чехол — все, что нужно, чтобы поиграть вечером во дворе с другом или устроить небольшие соревнования. Этот недорогой набор подойдет именно для развлечения и веселья, устанавливается почти на любой стол.
Еще один вид спорта, которым можно заниматься, даже не имея серьезной подготовки — бадминтон. С набором от Wish Steeltec вы сможете потренировать силу удара, побегать и просто хорошо провести время. Детали яркие, так что их трудно потерять даже на природе. Леска натянута прочно, ресурса ракеток должно хватить не на один сезон.
Фрисби воспринимается как простое пляжное развлечение. Тем не менее перекидывание друг другу тарелки задействует все группы мышц и развивает скорость реакции. Эта тарелка летит далеко и по понятной траектории — отличный снаряд для начала. Кстати, фрисби — это еще и ряд спортивных дисциплин со своими правилами и техническими сложностями, так что игра с друзьями может перерасти в серьезное увлечение.
Для большой компании
Стильный мяч из износостойкой резины отлично подходит для уличных тренировок. Вы сможете поиграть компанией в баскетбол или стритбол или просто отработать броски. При производстве используется технология сбалансированного сцепления: это значит, что снаряд не сбежит от вас и будет двигаться по стабильной траектории.
Футбол — один из самых популярных в России видов спорта. Играя, можно отлично побегать, потренировать меткость и отработать взаимодействие в команде. Футбольный мяч Torres Striker выполнен из качественного полиуретана и резины и выдержит не один десяток матчей, не потеряв упругости. Отличная балансировка и оптимальный размер делают его подходящим как для взрослых, так и для подростков. Он достаточно тяжелый, почти как в профессиональном спорте, так что совсем малышам не понравится.
Пляжный или обычный волейбол? А может быть, пионербол, как в детском лагере? Мяч TORRES SIMPLE COLOR подойдет для любой из этих игр. Камера отлично держит давление, поэтому вам не придется постоянно подкачивать его, а качественные материалы (полиуретан и бутил) сохраняют все характеристики даже при интенсивном использовании.
Для совмещения приятного и полезного
Многоскоростной велосипед с рамой 19-го размера подойдет как мужчинам, так и женщинам. Это отличный вариант для новичков: модель доступная, удобная. Поможет понять, нравится ли вам велоспорт. Конструкция велосипеда позволяет ездить по дорогам разных типов, поэтому вы сможете перемещаться по городу или отправиться в поход. Есть складной механизм — велосипед с ним легко возить в машине, на электричке и просто хранить в кладовке.
Более продвинутая модель для тех, кто уже оценил прелесть движения на двух колесах. Геометрия велосипеда предполагает вертикальную посадку. Это обеспечивает более удобное положение тела, чем на других байках. В конструкции предусмотрены детали для комфорта и безопасности: пружинная вилка с ходом 100 мм, сервисная подводка тросов и дисковые гидравлические тормоза.
Если вы не фанат велоспорта, но хотите получить свою дозу физической нагрузки, перемещаясь по городу, выбирайте самокат. В модели PLANK Magic 200 есть регулировка руля по высоте, надежные тормоза и прочная увеличенная дека из алюминия. Когда вы катаетесь на самокате, работают мышцы ног, ягодиц, спины и живота, а заодно добираетесь, куда нужно. Если вы решите сделать паузу в тренировках, самокат легко складывается для хранения.
Экипировка
Любая активность на свежем воздухе требует хорошей обуви, специально сделанной для занятий спортом. Яркие кроссовки Hoka RINCON 3 с облегченным весом амортизируют, снижают нагрузку на суставы. Выраженный рельеф подошвы обеспечивает сцепление с поверхностью вне зависимости от того, где проходит тренировка: на специальной площадке, асфальте или грунте.
Легкие женские кроссовки из линейки Clifton подходят для занятий на твердых покрытиях. Дышащий сетчатый верх поддерживает вентиляцию стоп, чтобы можно было тренироваться даже в жару. Подошва из легкой пены EVA гасит силу ударов. Кроссовки беговые, подходят для тренировок на длинных дистанциях.
Защита от солнца и перегрева
Во время занятий на свежем воздухе важно защитить голову от перегрева. С этим отлично справится легкая и светлая бейсболка — например, от GLHF. Она удобно сидит на голове, не сваливается и не отвлекает от занятий, благодаря сетке голова меньше потеет. Козырек жесткий и не мнется.
Не забудьте защитить кожу от солнца — чтобы не было мучительно больно на следующий день после тренировки под открытым небом. В этом поможет крем против пигментных пятен с сильной защитой от ультрафиолета SPF50. Водостойкая текстура легко наносится и быстро впитывается, действует два часа — потом крем нужно обновить.
Удобные и стильные солнцезащитные очки защищают глаза благодаря фильтру UV400, который поглощает до 99.99% ультрафиолета. Они выполнены из легких материалов и плотно прилегают к голове. Ударопрочные поликарбонатные линзы с антибликовым покрытием подходят для разных видов спорта.
Используйте промокод килобайт на Мегамаркете. Он дает скидку 2 000 рублей на первую покупку от 4 000 рублей и действует до 31 мая. Полные правила здесь.
Реклама ООО «МАРКЕТПЛЕЙС» (агрегатор) (ОГРН: 1167746803180, ИНН: 9701048328), юридический адрес: 105082, г. Москва, ул. Спартаковская площадь, д. 16/15, стр. 6
Свет превратили в сверхтекучую жидкость
Физики из итальянского исследовательского института CNR NANOTEC превратили свет в аналог квантовой жидкости, используя электроны из органических молекул. Новая форма материи способна «обтекать» препятствия, не создавая замедляющей ее ряби. Статья ученых опубликована в журнале Nature Physics. Кратко о ней сообщается на сайте Phys.org.
Эффект сверхтекучести возникает, когда скопление частиц или атомов (относящихся к бозонам) охлаждают почти до абсолютного нуля. Поскольку бозоны, в отличие от фермионов, могут занимать одно и то же квантовое состояние, они все достигают минимально возможного энергетического уровня. Тепловое движение прекращается, однако начинают проявляться квантовые эффекты. В результате атомы начинают «течь» без трения, просачиваясь сквозь узкие щели и капилляры. Такое вещество называют квантовой жидкостью.
Ученые показали, что форму материи с похожими свойствами можно создать при комнатной температуре с помощью поляритонов — квазичастиц, возникающих при взаимодействии фотонов с колеблющимися частицами какой-либо среды. Поляритоны, таким образом, представляют собой волну, состоящую из двух компонентов — электромагнитных колебаний и возбуждений среды.
В ходе эксперимента использовалась сверхтонкая пленка из органических молекул, которую поместили между двух зеркал с очень высокими коэффициентами отражения. Ученые запустили в устройство фотоны, которые попадали в зеркальную ловушку и крепко «зацеплялись» за молекулы, порождая, по словам самих физиков, гибридную жидкость, состоящую из света и материи. Последняя может свободно течь, не замедляясь при встрече с каким-либо препятствием, поскольку в ней не возникают турбулентные вихри.
По словам исследователей, полученные ими результаты показывают, что сверхтекучее вещество можно получить, не прибегая к сильному охлаждению. Это позволит создавать устройства на основе фотонной супержидкости, в которых трение и сопутствующие потери тепла будут сведены к минимуму.