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發現光子新特性: 可像皮球一樣碰撞

光是什麼?我們對最司空見慣的光了解多少?科學家發現光在微觀下具有一種出乎意料的特性。該研究不僅進一步說明一百年前愛因斯坦理論的正確,也展示微觀世界的奇妙。

根據愛因斯坦一百年前提出的光學理論,光在微觀下同時具有粒子和震動波的兩種性質,因此在宏觀中可以展現出衍射圖相等有趣的現象。而光的粒子特性卻與電子、質子等粒子不同,極少發生光子之間的碰撞。也就是說,科學家幾乎沒有發現光子之間出現像兩個彈力球那樣的撞擊反彈現象。

但是,科學家使用歐洲大型強子對撞器(LHC)的超環面儀器(A Toroidal LHC ApparatuS,縮寫為ATLAS),經過仔細篩查4兆次撞擊事件的情況,找到光子發生13次像彈力球那樣的彈性撞擊。

雖然,13次相對於4兆的比率幾乎少得接近於零,但是科學家表示,這種極為罕見的現象足以說明光子有出乎意料的性質。

歐洲核子研究組織(CERN)超環面儀器研究項目的資深物理學家托維(Dan Tovey)在該實驗室網頁上解釋:“這是具有里程碑意義的發現。我們首次在高能量條件下,觀察到光子相互作用的直接證據。”

托維強調,這種現像在宏觀現像中是不可能出現的,只有在微觀的粒子狀態間才能發生,因此這個現象促進人們對微觀量子特性的理解。

該現象引起科學家的極大興趣。參與超環面儀器實驗研究的科學家之一、倫敦大學學院(UCL)的物理學家布特沃斯(Jon Butterworth)教授9月3日在《衛報》上寫道,日常生活中,我們不可能看到兩束光線碰到一起時,能像兩個皮球那樣互相彈開,而在微觀下卻能。

布特沃斯教授進一步解釋,因為不同光線具有不同的波長等特性,所以可以表現出很多特性,比如激光不像普通光線那樣散成一片,而是聚成一束。

而在大型強子對撞器製造的高能狀態下,微觀中的光子向小球一樣,可以互相彈離,在學術上被稱為“彈性散射”(elastic scattering)。

另據《科學新聞》(Science News)8月14日報導,倫敦大學國王學院(KCL)的理論物理學家埃利斯(John Ellis)評述,這種出乎意料的光子彈性散射是“非常本質的現象。以前從未觀察到,而現在終於能從數據中分辨出來”。埃利斯未參與該研究。

按照物理學基本原理,不帶電荷的光子不可能發生類似帶電粒子的碰撞。但事實上,微觀下存在光子間的碰撞現象,這一點可以從量子學角度理解。

微觀世界中,物質包括光的存在狀態都與我們宏觀所見的截然不同。

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