Wenn zwei Photonen kollidieren, hat das resultierende Teilchen die Geschwindigkeit Null?

Wenn zwei Photonen, die sich entlang derselben Linie in entgegengesetzte Richtungen bewegen, kollidieren, hat das resultierende Teilchen im Moment der Kollision eine Geschwindigkeit von Null relativ zum Rest der Raumzeit?

Photonen sind quantenmechanische Teilchen. In den mikroskopischen Dimensionen, in denen quantenmechanische Teilchen interagieren, gibt es die Regeln der Natur, die diese Dimensionen beherrschen, obwohl sie in makroskopischen Dimensionen normalerweise unbedeutend sind.

Eine dieser Regeln ist die Heisenbergsche Unschärferelation , HUP,: man kann den Ort eines Teilchens und den Impuls eines Teilchens nicht genauer definieren als:

wo$\hbar =6.62606957(29)×10^{−34}$Joule ist eine sehr kleine Zahl, weshalb es in makroskopischen Dimensionen praktisch Null ist.

Somit werden zwei Photonen auch mit gleicher Energie nicht an einem Punkt kollidieren.

Mathematisch gesehen sind Photon-Photon-Wechselwirkungen sehr, sehr schwach, da es keine Wechselwirkung erster Ordnung zwischen zwei Photonen gibt, sondern sie müssen eine Teilchenschleife durchlaufen. Außerdem erfordert die Impulserhaltung zwei Teilchen aus.

Ein Feynman-Diagramm (Kastendiagramm) für Photon-Photon-Streuung, ein Photon streut von den transienten Vakuumladungsschwankungen des anderen

Feynman-Diagramme haben eine Eins-zu-Eins-Entsprechung mit berechenbaren Integralen, die die Wahrscheinlichkeit für eine bestimmte Wechselwirkung angeben.

Ein Photon trägt Energie, zwei Photonen haben eine unveränderliche Masse . In ihrem Schwerpunktsystem kann die Ausgabe, abhängig von der jeweils verfügbaren Energie, wieder zwei Photonen sein, oder wenn genügend Energie vorhanden ist, um massive Teilchen zu erzeugen, besteht eine quantenmechanische Wahrscheinlichkeit für die Wechselwirkung. Sie schlagen hochenergetische Photonenbeschleuniger vor, Gamma-Gamma-Beschleuniger .

Im Allgemeinen nein, da die Geschwindigkeit keine Erhaltungsgröße ist. Es ist der Impuls , der bei allen Wechselwirkungen erhalten bleibt. Für Photonen ist die Größe des Impulses einfach

Beachten Sie, dass die Kollisionswahrscheinlichkeit in einigen nichtlinearen Materialien (z. B. einem Kerr-Medium ) stark erhöht werden kann . Wie oben erwähnt, ist Vakuum ein sehr schwach nichtlineares Material.

Die resultierende „Geschwindigkeit“ für das Photon wäre sein Impuls$\mathbf{k}$, wobei die Regel lautet, dass, wenn kein Verlust im Material auftritt, Impuls und Energie erhalten bleiben müssen:$\mathbf{k}_{1}+\mathbf{k}_{2} = \mathbf{k}'_{1}+\mathbf{k}'_{2}$. Aber das sind vektorielle Größen und$\mathbf{k}_{1}+\mathbf{k}_{2} = \mathbf{0}$bedeutet nicht$\mathbf{k}'_{1} = \mathbf{0}$und$\mathbf{k}'_{2} = \mathbf{0}$. Viele Lösungen sind möglich, diese werden von der nichtlinearen Optik untersucht . Darüber hinaus setzt die Energieeinsparung weitere Einschränkungen.

Fotos sind Bosonen. Sie können die gleichen Quantenzustände und den gleichen Ort im Raum einnehmen, also können sie nicht wirklich "kollidieren". Wenn zwei Photonen, die sich entlang derselben Linie in entgegengesetzte Richtungen bewegen, kollidieren, gehen sie einfach direkt durcheinander hindurch.

Ich denke, Sie haben wahrscheinlich an Paarproduktion gedacht. Es ist ein völlig anderer Prozess, bei dem zwei energetische Photonen mit dem Kern interagieren und ein Teilchen-Antiteilchen-Paar erzeugen.