Защо светлинните лъчи могат да се пресичат без да си взаимодействат?

Предполага се, че на практика всички познават спецификата на поведението на светлината и нейната структура. Според съществуващите представи светлината се състои от фотони. И въпреки многото противоречия и трудности в разбирането на същността на самия фотон, можем спокойно да приемем, че работим с кванти от определен тип или пакети енергия. Обобщавайки всичко това, се оказва, че светлината се състои от група такива пакети енергия, които се движат в пространството.

По тази логика е уместно да приемем, че тези пакети енергия могат да се различават и ще се различават един от друг по редица параметри, но те са материя от „приблизително един тип“ или дори нещо подобно на обикновената материя, и затова, ако попаднат в едно пространство, би трябвало да си взаимодействат по някакъв начин. Или, ако трябва да бъде опростено, светлината от едно фенерче би трябвало да смущава светлината от друго фенерче. В края на краищата фотоните са някаква субстанция, която би трябвало да изтласка друга от същия вид. Както граховите зърна си взаимодействат едно с друго в един буркан.

Нека направим малък експеримент. Вземете две фенерчета, включете ги и сега кръстосайте светлинните лъчи, които те излъчват. Ако лъчите на светлината си влияеха един на друг и фотоните действително си взаимодействаха, щяхте да видите някакъв резултат от този процес. Може би лъчите щяха да станат по-ярки, а може би всичко щеше да угасне. Може би цветът на светлината щеше да се промени. Но няма нищо от това.

По този начин ние експериментално потвърждаваме, че фотоните не взаимодействат помежду си.

По какъв начин физиката обяснява това поведение?

Оказва се, че физиците също са си задавали въпроса защо така неочаквано фотоните не взаимодействат помежду си, и за този проблем има доста солидно обяснение.

Въпросът има важно приложение. В края на краищата, ако беше възможно да се накарат два фотона да „интерферират“ един с друг, щеше да е възможно да се правят някои умопомрачителни обемни холограми направо във въздуха без помощно оборудване. Достатъчно би било да се съединят два лъча. Но в учебниците за училищно ниво обикновено се казва, че фотоните не участват в интерференцията.

Ако потърсим отговор на въпроса „защо“, първо ще попаднем на класическата електродинамика. Фотонът е квант светлина и сред уравненията на Максуел няма взаимодействие от типа светлина-светлина. Следователно светлината преминава през друга светлина, сякаш нея я няма. Тук обикновено се отбелязва, че фотоните не взаимодействат помежду си, защото нямат електрически заряд, а без него частиците са неутрални.

Едно по-дълбоко обяснение предполага, че фотонът принадлежи към семейството на бозоните и следователно има целочислен спин, равен на 1. Бозоните, които се подчиняват на статистиката на Бозе-Айнщайн, могат да се наслагват свободно един върху друг. Те не взаимодействат помежду си и в една точка могат да се намират безкрайно много от тях. Ако те имаха спин 1/2, вече щеше да се наблюдава отблъскване.

В квантовата електродинамика всичко е по-интересно – един фотон може да взаимодейства със същия фотон, само че чрез виртуални частици. Така например два фотона могат да си разменят виртуална двойка електрон-позитрон. Но вероятността за това събитие е изключително малка и на обикновеното ниво на светлината ние не го забелязваме.

За да забележим ефекта, се нуждаем от свръхинтензивни лазери или от условия като при експерименти с ускорители. Така че фотоните наистина си взаимодействат един с друг. Но не винаги.

В обикновена среда (напр. кристали, плазма) електромагнитните полета могат да си влияят взаимно чрез материята. Например в нелинейната оптика съществуват честоти на удвояване и смесване на лъчите. Но тук фотонът не взаимодейства директно с фотона, а косвено чрез материята.

Нима всичко отново е твърде опростено?

На практика се оказва, че при определени условия фотоните могат да взаимодействат помежду си директно. Обикновено използваме опростяване, което е необходимо за практическото прилагане на знанията в обичайните условия.

В същото време по-задълбоченото изучаване на въпроса открива много по-интересни въпроси и възможности. Прякото взаимодействие на фотоните всъщност предполага, че техният сблъсък може да доведе до появата на материя от нищото.

Дълго време подобна възможност се възприемаше само като хипотеза. Но наред с теоретичното предположение за такъв ефект съществуват и научни трудове по този въпрос. В тях в условията на колайдера фотонът е разпръснат върху друг фотон, но това е друга тема, на която ще се спрем друг път.