Phillip Hopkins
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Caso você não tenha percebido, os fótons são pequenos fragmentos de luz. Na verdade, eles são a menor quantidade de luz possível. Quando você acende uma lâmpada, um número gigantesco de fótons salta dessa lâmpada e atinge seus olhos, onde são absorvidos pela retina e transformados em um sinal elétrico para que você possa ver o que está fazendo.
Portanto, você pode imaginar quantos fótons o cercam a qualquer momento. Não apenas das luzes do seu quarto, mas os fótons também fluem do sol pela janela. Até seu próprio corpo gera fótons, mas em energias infravermelhas, então você precisa de óculos de visão noturna para vê-los. Mas eles ainda estão lá.
E, é claro, todas as ondas de rádio e raios ultravioleta e todos os outros raios bombardeiam você e tudo mais constantemente com um fluxo infinito de fótons.
São fótons em todos os lugares.
Esses pequenos pacotes de luz não deveriam interagir uns com os outros, essencialmente não tendo "consciência" de que os outros existissem. As leis da física são tais que um fóton simplesmente passa por outro com interação zero. [Os 18 maiores mistérios não resolvidos da física]
Isso é o que os físicos pensavam, pelo menos. Mas em um novo experimento dentro do destruidor de átomos mais poderoso do mundo, os pesquisadores tiveram um vislumbre do impossível: os fótons colidindo uns com os outros. A pegada? Esses fótons estavam um pouco fora de seu jogo, o que significa que não estavam agindo como eles próprios e, em vez disso, tornaram-se temporariamente "virtuais". Ao estudar essas interações super-raras, os físicos esperam revelar algumas das propriedades fundamentais da luz e possivelmente até mesmo descobrir novas físicas de alta energia, como grandes teorias unificadas e (talvez) supersimetria.
Um leve toque
Normalmente, é uma coisa boa que os fótons não interajam entre si ou ricocheteiam uns nos outros, porque isso seria um verdadeiro hospício com fótons nunca indo a lugar nenhum em qualquer tipo de linha reta. Então, felizmente, dois fótons simplesmente passarão um pelo outro como se o outro nem existisse.
Ou seja, na maioria das vezes.
Em experimentos de alta energia, podemos (com muita graxa de cotovelo) fazer com que dois fótons se colidam, embora isso aconteça muito raramente. Os físicos estão interessados neste tipo de processo porque ele revela algumas propriedades muito profundas da natureza da própria luz e pode ajudar a descobrir algumas físicas inesperadas. [18 vezes Quantum Particles Blew Our Minds]
Os fótons raramente interagem uns com os outros porque eles se conectam apenas com partículas que têm cargas elétricas. É apenas uma daquelas regras do universo pelas quais devemos viver. Mas se esta é a regra do universo, então como poderíamos fazer com que dois fótons, que não têm carga, se conectassem um com o outro?
Quando um fóton não é
A resposta está em um dos aspectos mais inescrutáveis e ainda assim deliciosos da física moderna, e atende pelo nome funky de eletrodinâmica quântica.
Nesta imagem do mundo subatômico, o fóton não é necessariamente um fóton. Bem, pelo menos, nem sempre é um fóton. Partículas como elétrons e fótons e todos os outros -ons se movem continuamente para frente e para trás, mudando de identidade à medida que viajam. Parece confuso a princípio: como poderia, digamos, um feixe de luz ser outra coisa senão um feixe de luz?
Para entender esse comportamento maluco, precisamos expandir um pouco a nossa consciência (para usar uma expressão).
No caso dos fótons, à medida que viajam, de vez em quando (e tenha em mente que isso é extremamente, extremamente raro), pode-se mudar de ideia. E em vez de ser apenas um fóton, ele pode se tornar um par de partículas, um elétron carregado negativamente e um pósitron carregado positivamente (o parceiro de antimatéria do elétron), que viajam juntos.
Pisque e você perderá, porque o pósitron e o elétron se encontrarão e, como acontece quando a matéria e a antimatéria se encontram, eles se aniquilam, puf. O par ímpar voltará a ser um fóton.
Por várias razões que são muito complicadas de abordar agora, quando isso acontece, esses pares são chamados de partículas virtuais. Basta dizer que em quase todos os casos você nunca consegue interagir com as partículas virtuais (neste caso, o pósitron e o elétron), e você só consegue falar com o fóton.
Mas não em todos os casos.
Uma luz no escuro
Em uma série de experimentos executados pela colaboração ATLAS no Large Hadron Collider abaixo da fronteira franco-suíça e recentemente submetidos ao jornal online de pré-impressão arXiv, a equipe passou muito tempo jogando núcleos de chumbo uns nos outros quase à velocidade da luz . No entanto, eles não permitiram que as partículas de chumbo se chocassem; em vez disso, os bits vieram muito, muito, muito, muito próximos. [Fotos: O maior Atom Smasher do mundo (LHC)]
Dessa forma, ao invés de ter que lidar com a bagunça gigantesca de uma colisão, incluindo muitas partículas extras, forças e energias, os átomos de chumbo apenas interagiram por meio da força eletromagnética. Em outras palavras, eles apenas trocaram muitos fótons.
E de vez em quando - extremamente, incrivelmente raramente - um desses fótons se transformava brevemente em um par composto de um pósitron e um elétron; então, outro fóton veria um desses pósitrons ou elétrons e falaria com ele. Uma interação ocorreria.
Agora, nessa interação, o fóton meio que bate no elétron ou no pósitron e segue seu caminho alegre sem nenhum dano. Eventualmente, esse pósitron ou elétron encontra seu companheiro e volta a ser um fóton, então o resultado de dois fótons se chocando é apenas dois fótons ricocheteando um no outro. Mas o fato de eles serem capazes de falar um com o outro é notável.
Quão notável? Bem, depois de trilhões e trilhões de colisões, a equipe detectou um total de 59 interseções potenciais. Apenas 59.
Mas o que essas 59 interações nos dizem sobre o universo? Por um lado, eles validam esta imagem de que um fóton nem sempre é um fóton.
E investigando a própria natureza quântica dessas partículas, poderíamos aprender um pouco de nova física. Por exemplo, em alguns modelos sofisticados que ultrapassam os limites da física de partículas conhecida, essas interações de fótons ocorrem em taxas ligeiramente diferentes, potencialmente nos dando uma maneira de explorar e testar esses modelos. No momento, não temos dados suficientes para saber as diferenças entre qualquer um desses modelos. Mas agora que a técnica foi estabelecida, podemos apenas fazer algum progresso.
E você vai ter que desculpar o trocadilho de encerramento muito óbvio aqui, mas espero que em breve possamos lançar alguma luz sobre a situação.
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Paul M. Sutter é astrofísico em The Ohio State University, anfitrião de "Pergunte a um astronauta" e "Rádio Espacial,"e autor de"Seu lugar no universo."
Originalmente publicado em .