Caso você não tenha percebido, os fótons são pequenos pedaços de luz. Na verdade, eles são o menor pedaço de luz possível. Quando você acende uma lâmpada, um número gigantesco de fótons brota daquela lâmpada e bate nos seus olhos, onde são absorvidos pela retina e transformados em um sinal elétrico para que você possa ver o que está fazendo.
Então, você pode imaginar quantos fótons o cercam a qualquer momento. Não apenas pelas luzes do seu quarto, mas também os fótons entram pela janela do sol. Até seu próprio corpo gera fótons, mas todo o caminho 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 constantemente bombardeiam você e todo o resto com um fluxo interminável de fótons.
São fótons em toda parte.
Esses pequenos pacotes de luz não devem interagir um com o outro, essencialmente não tendo "consciência" de que os outros existem. As leis da física são tais que um fóton passa por outro com zero interação.
Isso é o que os físicos pensavam, pelo menos. Mas, em um novo experimento no mais poderoso destruidor de átomos do mundo, os pesquisadores vislumbraram o impossível: fótons colidindo entre si. A pegada? Esses fótons estavam um pouco fora do jogo, o que significa que eles não estavam agindo como eles mesmos e, em vez disso, temporariamente se tornaram "virtuais". Ao estudar essas interações super raras, os físicos esperam revelar algumas das propriedades fundamentais da luz e possivelmente até descobrir novas físicas de alta energia, como grandes teorias unificadas e (talvez) supersimetria.
Um leve toque
Geralmente, é bom que os fótons não interajam ou se refletam, porque isso seria uma loucura total, com os fótons nunca indo a lugar algum em qualquer tipo de linha reta. Então, felizmente, dois fótons simplesmente deslizam um pelo outro como se o outro nem sequer existisse.
Ou seja, na maioria das vezes.
Em experimentos de alta energia, podemos (com muita graxa de cotovelo) obter dois fótons um contra o outro, embora isso ocorra muito raramente. Os físicos estão interessados nesse tipo de processo, pois revela algumas propriedades muito profundas da natureza da própria luz e poderia ajudar a descobrir alguma física inesperada.
Os fótons raramente interagem entre si porque se conectam apenas a partículas com cargas elétricas. É apenas uma daquelas regras do universo pelas quais temos que viver. Mas se essa é a regra do universo, como podemos obter dois fótons, que não têm carga, para se conectarem?
Quando um fóton não é
A resposta está em um dos aspectos mais inescrutáveis e deliciosos da física moderna e atende pelo nome descolado da 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 continuamente se alternam, mudando de identidade à medida que viajam. Parece inicialmente confuso: como poderia, digamos, um raio de luz ser outra coisa senão um raio de luz?
Para entender esse comportamento maluco, precisamos expandir um pouco nossa consciência (para emprestar uma expressão).
No caso dos fótons, à medida que viajam, de vez em quando (e lembre-se de que isso é extremamente, extremamente raro), pode-se mudar de idéia. E, em vez de ser apenas um fóton, ele pode se tornar um par de partículas, um elétron com carga negativa e um pósitron com carga positiva (o parceiro antimatéria do elétron), que viajam juntos.
Pisque e você sentirá falta disso, porque o pósitron e o elétron se encontrarão e, como acontece quando a matéria e a antimatéria se encontram, eles aniquilam o puf. O par ímpar voltará a ser um fóton.
Por várias razões que são muito complicadas para entrar 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 apenas fala com o fóton.
Mas não em todos os casos.
Uma luz no escuro
Em uma série de experimentos realizados pela colaboração da ATLAS no Large Hadron Collider, abaixo da fronteira franco-suíça e recentemente submetida ao jornal de pré-impressão on-line arXiv, a equipe passou muito tempo colidindo núcleos de chumbo uns com os outros quase à velocidade da luz . No entanto, eles realmente não deixaram as partículas de chumbo se chocarem; em vez disso, os bits chegaram muito, muito, muito, muito próximos.
Dessa forma, em vez de ter que lidar com uma gigantesca confusão de colisão, incluindo muitas partículas, forças e energias extras, os átomos de chumbo apenas interagiam através 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 conversaria com ele. Uma interação ocorreria.
Agora, nessa interação, o fóton meio que esbarra no elétron ou no pósitron e segue seu caminho alegre sem nenhum dano. Eventualmente, esse pósitron ou elétron encontra seu parceiro 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 terem conseguido conversar um com o outro é notável.
Quão notável? Bem, depois de trilhões e trilhões de colisões, a equipe detectou um total geral de 59 interseções em potencial. Apenas 59.
Mas o que essas 59 interações nos dizem sobre o universo? Por um lado, eles validam a imagem de que um fóton nem sempre é um fóton.
E, explorando a natureza quântica dessas partículas, poderíamos aprender alguma 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 diferenciar qualquer um desses modelos. Mas agora que a técnica está estabelecida, podemos apenas avançar.
E você terá que desculpar o trocadilho óbvio aqui, mas espero que em breve possamos lançar alguma luz sobre a situação.
Paul M. Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohioanfitrião de "Pergunte a um astronauta" e "Rádio Espacial,"e autor de"Seu lugar no universo."
