光子与光子其实也会“碰撞”,为什么日常看不到呢?

是的!光子和带电粒子可以发生相互作用,这是因为光本身就是电磁波,也是传递电荷力的媒介粒子。那么光子和光子可以发生碰撞反弹么?或者说可以相互作用么?简单直接的答案是:可以!看到这个答案不要惊讶,接着往下说。

光乃玻色子,可以无限压缩

当年牛顿说光是微粒,惠更斯曾这样反驳,既然光是微粒,为什么看不到两束光的粒子发生碰撞呢?在当时的情况下,惠更斯这样反驳,也是正确的,牛顿根本就解答不了这么高端的问题。但时至今日,我们确实知道光和光可以发生碰撞,但不是直接的反弹或者我们传统意义上的碰撞,这种效果非常罕见。

光是由称为光子的小量子构成的。当你打开一盏灯的时候,灯泡就开始产生并发出数以万亿计的光子。光子属于被称为玻色子的一类量子粒子。玻色子是十分特殊,因为许多玻色子可以同时占据完全相同的量子态。意思就是我们可以把无限对的光子压缩在一个微小的空间里。

光不会发生传统意义上的碰撞

正是由于光是玻色子,激光束的出现才成为了可能。激光束就是在发射腔内将光子压缩,然后将许多光子的集合发射出去。相比之下,非玻色子的粒子不能同时处于同一量子态。这是防止一个物体中的原子坍缩成一个点的原因之一。规定非玻色子不能处于同一状态的原理称为泡利不相容原理。非玻色子也被称为费米子。像光这样的玻色子可以占据相同的状态,这一事实意味着它们不会发生传统意义上的互相碰撞,反弹。

同样,光主要与带有电荷的粒子相互作用。由于光本身没有电荷,一个光子不能直接与另一个光子相互作用。它们相遇时会直接穿过彼此而不受任何影响。因为它们是玻色子而且不带电荷,一个光子不能直接从另一个光子上反弹。我们知道现实生活中的物体都是由费米子(质子、中子、电子)组成的,如果我们把一股水流对着另一股水流,那么在它们交叉的地方,由于碰撞,就会出现水花乱溅。相反,如果我们让一束光穿过另一束光,它们就不会互相影响。

但是,两个光子朝着彼此的方向确实可以发生间接的碰撞。整个过程是这样的。

光子可以间接发生“碰撞”

一个光子可以自发地衰变成一个有质量的粒子和反粒子,这个过程称为正反粒子对产生。在这个过程中,光子的能量完全转化为两个正反粒子的质量。例如,一个光子可以变成一个电子和一个反电子。如果两个光子相互靠近,并且同时转变成电子/反电子对,那么这些粒子就会发生相互作用。来自一个光子的反电子将与来自另一个光子的电子碰撞,并湮灭生成一个光子。同样的事情也发生在另一个反电子和电子上。

总体效果是两个光子进入相互作用,然后两个光子从相互作用中出来,看起来光子只是相互弹开了而已,因为湮灭的整个过程非常迅速。从某种意义上说,一束光确实会从另一束光上反射过来,但这只是通过转化成其他粒子的间接方式。

上图中显示了这种交互作用。红色的曲线代表光子,e+蓝线代表反电子(正电子),e-蓝线代表电子。一个光子从图的左边来,衰变为一个电子和一个反电子。同时,另一个光子从右边过来,变成一个电子和一个反电子。每一个反电子与一个电子碰撞,它们相互湮灭,并重新产生了两个新的光子。这看起来就是光子碰撞了,改变了方向。因此,光子的碰撞可以通过间接机制实现,但这种情况很少见。罕见的原因有两个。

首先,根据E = mc^2,光只有在有足够的能量下,拥有产生新粒子所需的质量时才能转变成其他粒子。因为c是一个很大的数,它需要很大的能量才能产生一点质量。为了转换成电子和反电子,光子的能量必须至少等于正反粒子的质量之和。只有伽马射线(比x射线高一级)才有足够的能量做到这一点。与此同时,光子必须在正确的时刻发生转变,以使来自两个光子的新粒子发生碰撞。

由于这两个原因,光碰撞非常罕见。惠更斯、牛顿看不到也属正常!因此,我们可以说光不会发生碰撞,这肯定时从传统意义上说的,但光确实可以在间接情况下发生膨胀,也就是常说的相互作用。