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几束光交叉时,是否会相互影响?

严格的说,光子与光子之间有相互作用。

在经典的电磁理论中,光子与光子之间是没有相互作用的,这一点可以从麦克斯韦方程组中看出。但是我们现在已经知道,麦克斯韦方程组并不是完全正确的,只是量子电动力学在低能下的近似。

实际上,高能光子打到一起是有可能发生反应的,那么两束光交叉会有可能发生哪些反应呢?

1、光子光子散射

最简单的情况就是光子光子散射,就像两个小球对撞弹开了一样。但是说这是最简单的情况其实不准确的,因为根据量子电动力学,这种过程至少是四阶的,用费曼图表示就是:

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光子光子散射费曼图

在这个过程中,两个光子通过中间的虚电子发生了相互作用。但是上面说了,这个过程是四阶的,因此发生的几率是非常的小的。

2、光子光子生成正负电子对

实际最简单的情况应该是光子光子生成正负电子对(也就是所谓的“能量生成质量”,当然实际上这句话是不严谨的,实际只是能量的表现形式发生了变化,从动量变成质量),费曼图为:

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光子光子生成正负电子对

上一个过程中间有四条线,这个只有两个,这个过程确实简单一点,但是上一个过程对能量没有要求, 或者说,任何的能量下都有可能发生,但是这个过程却有能量阈值,考虑生成的两个电子就是静止的,那么两个光子的总能量至少要等于两个电子静质量对应的能量,用质能方程就能很容易的算出来:

其中

是电子的静质量,

是入射光子的频率,可以算出:

再通过

算出光子波长:

这是什么概念呢?我们看一下光谱:

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通过这个光谱,上面算出来的入射光子是属于 gamma 射线级别的。那么这样的能量现在的激光能产生吗?我找到了一张激光谱(Laser - Wikipedia

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激光光谱

我们主要看一下所能达到的最高能量:

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最高能量的光子波长为

左右,离 X 光还有一段距离,更不用说 gamma 射线了。也就是说目前的激光并不能通过交叉产生正负电子对。

(* 经评论区知友 @W 先生指正,有能做到更高能量的,请参考

https://microscopy-analysis.com/editorials/editorial-listings/x-ray-laser-boasts-shortest-wavelength-ever

*)

当然,我们还有别的办法,比如说通过加速器中的电子辐射或者对撞机里产生的光子等,这个能量是非常容易达到的。那下面我们就假设我们能得到任意能量的光子。

3、光子光子生成强子

除了生成正负电子对,还能生成其它的物质吗?显然是可以的,只要给够能量,这样的过程可以生成任意的正反物质对,比如说夸克对。但是夸克和夸克之间除了电磁相互作用外(用量子电动力学描述),还有更强的相互作用,即强相互作用,用量子色动力学描述。强相互作用的性质使得在真空中夸克不能单独出现,必须成双(正负夸克对形成介子)或者三人行(三个夸克形成重子),也就是所谓的夸克禁闭。

那么,如果两个光子生成夸克,那考虑的就不是夸克了,而是由夸克构成的介子。这种情况下并不能生成一个重子,因为一个正的重子完全由正夸克构成。但是介子可以是由相同的正负夸克对构成,满足这样条件的最轻的介子就是

介子,其质量为:

这可比电子重多了,大约中了三个数量级!!!因此产生

介子就得需要更大的能量了,同样的根据上面计算电子的计算,也可以得到此时光子的波长:

显然波长也小了三个数量级。

那对于更重的质子或者中子或者其它强子,就得需要更大能量的光子了。

4、光子光子产生小宇宙

事情并不会这么简单的结束。在上面的说明中,光子只是产生一个正负电子对或者正负夸克对。但是如果两束入射的光子的能量非常的高,远远的高出产生一个夸克对的能量,那么这种情况下,一次光子的对撞,就会瞬间产生成千上万的粒子对,这些粒子聚集在非常小的空间,有着非常高的能量,然后集聚的膨胀。这听起来是不是非常宇宙大爆炸呢?

在膨胀的过程中,粒子逐渐冷却,依靠各种相互作用逐渐聚集在一起,形成宏观可见的物体。如果初始光子能量足够的高,那么这个过程产生的粒子足够的多,最终冷却下来以后就会形成星系,

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大爆炸演化示意图

当当当,一个新的宇宙诞生了!!!

所以,上帝说,要有光!有了光,宇宙就诞生了!

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上帝的光子光子对撞实验

所以,各位,当你看到有个人拿着两个手电筒交叉在一起的时候,像这样,

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造个小宇宙

千万别笑,他只是想造一个小宇宙而已!


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