Beeinflussen sich Photonen gegenseitig?

Photonen sind Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen werden von der Quantenmechanik bestimmt.

In der Quantenmechanik ergibt sich die Stärke der Wechselwirkung aus der Kopplungskonstante , die die Stärke der Kraft zwischen den wechselwirkenden Teilchen charakterisiert. Um zu sehen, ob ein Partikel mit einem anderen Partikel interagiert, schreiben wir Feynman-Diagramme (Seite nach unten auf dem Link). Wenn man die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung berechnet, berechnet man das Quadrat eines Feynman-Diagramms, und in der Berechnung hat jeder Knoten des Diagramms eine Kopplungskonstante.

Im Fall von Photon-Photon-Wechselwirkungen gibt es viele Scheitelpunkte, die eintreten:

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

Das Quadrat der endgültigen Berechnung davon wird proportional zu der winzigen elektromagnetischen Kopplung sein, die auf die 8. Potenz erhoben wird, da sie multiplikativ ist. Daher ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon mit einem anderen Photon wechselwirkt, für Licht und die niedrigen Energien in unserer Umgebung praktisch Null (andere Faktoren tragen zum Querschnitt bei und können die Wahrscheinlichkeit erhöhen).

Daher besteht eine sehr sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon den Weg eines anderen Photons beeinflusst, was bei normalen Energien von Photonen nicht messbar ist. Wenn Gammastrahlenenergien erreicht sind, Ordnung von MeV, öffnen sich zusätzliche Diagramme, Paarbildung, und das ist eine andere Geschichte, weil die Anzahl der elektromagnetischen Scheitelpunkte halbiert wird, daher ist die Wahrscheinlichkeit viel höher, und auch die Wahrscheinlichkeit wächst mit der Energie. Es gibt Vorschläge für Gamma-Gamma-Beschleuniger .

Photonen treten zwar in Gleichtakt , dh sie erzeugen eine kohärente elektromagnetische Welle, und es gibt eine kollektive Wellenfunktion, die Interferenzeffekte zeigen kann, aber es ist eine Überlagerung, eine Addition von Wellenfunktionen, keine Wechselwirkung. Das konjugiert komplexe Quadrat der kollektiven Wellenfunktion ist die messbare Größe.

Zu deinen anderen Fragen,

Zwei Bosonen zu zwei Fermionen: Es ist möglich, was die Erhaltung der Quantenzahl betrifft, außer dass die Bosonen, die wir im Labor kontrollieren können, instabil sind und nicht in Streuexperimenten verwendet werden können, die die einzigen sind, die wir kontrollieren können. Wir verlassen uns darauf, dass das Standardmodell validiert ist, und argumentieren mit den theoretischen Eigenschaften, die es den Teilchen gibt. Diese Reaktionen sind wichtig in einem kosmologischen Modell, wo es sehr früh, nach 10^-32 Sekunden, eine Suppe aus Energie und Teilchen gibt.

Die Frage hat tatsächlich mehrere Antworten, weil Sie mehrere Situationen betrachten können.

In der klassischen Elektrodynamik im Vakuum gibt es keine Licht-Licht-Wechselwirkung, weil die Gleichungen linear sind. Wenn Sie in der klassischen Physik zwei Laserstrahlen im Vakuum kreuzen , beeinflusst keiner den anderen.

Bei Anwesenheit eines Mediums gibt es eine nichtlineare Reaktion des Mediums. Die elektrischen und magnetischen Felder im Licht üben eine Kraft auf die Teilchen im Medium aus. Da positiv und negativ geladene Teilchen entgegengesetzten Kräften ausgesetzt sind (und eine deutlich unterschiedliche Masse haben können), entstehen Nettoladungen und -ströme im Medium, die neue elektrische und magnetische Felder erzeugen. Das gleichzeitige Schießen von zwei Lasern in ein Plasma unterscheidet sich also vom Schießen auf einen und dann auf den anderen. Die Wellen beeinflussen sich gegenseitig, aberes ist weit hergeholt, dies Licht-Licht-Wechselwirkung zu nennen. In einem Medium ist eine Welle immer sowohl eine elektromagnetische Welle als auch eine Materiewelle. In einem Plasma nennen wir sie Plasmonen, und es ist wirklich eine Plasmon-Plasmon-Wechselwirkung.

Licht-Licht-Wechselwirkung im Vakuum ist eine reine Quantensache, weil der Prozess$e^+ e^- \to \gamma + \gamma$, variable Teilchenzahl, ist ein Phänomen, das sehr gut in die Quantenfeldtheorie passt, aber nicht in die klassische oder nicht-relativistische Quantenmechanik.

Jetzt ermöglicht die Quantenelektrodynamik nicht nur$e^+ e^- \to \gamma + \gamma$sondern auch der umgekehrte Vorgang$\gamma + \gamma \to e^+ e^-$. Den erstgenannten Prozess kann man heute mit einigen Tischgeräten als Bachelor-Labor beobachten. Letzteres wurde bisher im Labor nicht beobachtet. Aber die Quantenelektrodynamik ist der am besten getestete Teil der Physik, und es gibt keinen plausiblen Weg, sie zu modifizieren, um sie zu verbieten$\gamma + \gamma \to e^+ e^-$. Es geht nicht um "okay, diese Konstante war anders als wir dachten", sondern darum, etwas anderes als die Quantenfeldtheorie zu erfinden und auch die spezielle Relativitätstheorie loszuwerden.

Ich wage diese Gewissheit über etwas, das noch nie direkt beobachtet wurde, weil jedes QED-Experiment, das genau genug ist, indirekt ein Test der Rate von ist$\gamma + \gamma \to e^+ e^-$. Dies liegt daran, dass die Quantenmechanik in Feynmans Pfadintegralformulierung mir sagt, dass ich die Wahrscheinlichkeitsamplitude berechnen soll, von der aus ich gehen soll$A$Zu$B$Ich sollte die Amplituden für alle Wege aufaddieren, um daraus zu kommen$A$Zu$B$. Nun, in der Feldtheorie bedeutet das zum Beispiel für die Elektron-Positron-Streuung, dass ich diesen Prozess der Vernichtung der Teilchen betrachten sollte, dann die Photonen, die ein neues Teilchenpaar erzeugen. Und dann verlasse ich mich auf die Rate für$\gamma+\gamma\to e^+e^-$.

Für die Ausbreitung zweier Photonen muss ich natürlich diesen Prozess berücksichtigen, der eine echte Licht-Licht-Wechselwirkung darstellt. Es gibt hier keine echten Elektronen oder Positronen, um die Wechselwirkung zu vermitteln – diese Beschreibung ist nur ein Werkzeug für Berechnungen, nicht „was wirklich vor sich geht“ – aber QED sagt trotzdem die Streuung von Licht durch Licht voraus.

Vielleicht nicht genau das, wonach Sie gesucht haben, aber während Photon-Photon-Wechselwirkungen in einem Vakuum, wie oben beschrieben, extrem schwach sind, können Photon-Photon-Wechselwirkungen in Gegenwart eines Mediums sehr auffällig sein, ein dramatisches Beispiel ist der optische Kerr-Effekt . Optische Nichtlinearitäten können sogar so groß gemacht werden, dass sie Wechselwirkungen zwischen einzelnen Photonen vermitteln, zum Beispiel hier , oder hier .

Vorbehalt: Bei den oben beschriebenen optischen Nichtlinearitäten ändern Photonen tatsächlich ihre Bahnen, erfordern aber dafür die Anwesenheit von Materie.

Innerhalb der ersten Sekunde, nach dem Urknall, als das Universum extrem klein war und die Temperatur Millionen Kelvin betrug, interagierten Photonen tatsächlich und wandelten sich in ein Proton-Anti-Proton-Paar oder ein Elektron-Positron-Paar oder ein positives Kaon-negatives Kaon-Paar oder ein anderes Teilchen-Antiteilchen um Paare. Diese Teilchen-Antiteilchen-Paare werden dann in Photon-Photon-Paare umgewandelt und umgekehrt. Auf diese Weise befanden sich Photon (Strahlung) und Materie (Elektron, Proton, Kaon, Pion usw.) im thermischen Gleichgewicht.