چه اتفاقی می افتد وقتی نور به خودش برخورد می کند

فیزیکدان ها به تازگی متوجه شده اند وقتی پرتوهای نور در سطح کوانتومی با هم برخورد می کنند، می توانند ذرات عجیبی را به وجود بیاورند که مثل شبح از هیچ پدیدار می شوند و روی ماده واقعی تاثیر می گذارند. این پدیده نادر که با نام پراکندگی نور از نور شناخته می شود، نظریه کلاسیک را که می گوید امواج نور می توانند بدون تاثیرگذاری بر هم از یکدیگر عبور کنند، به چالش کشیده است.

برخورد نور با نور و نقش ذرات مجازی

معمولا امواج نور بدون هیچ مقاومتی از هم عبور می کنند. قوانین الکترودینامیک می گوید دو پرتو نور می توانند در یک نقطه قرار بگیرند و بدون این که بر هم تاثیر بگذارند، فقط با هم تداخل داشته باشند. به همین دلیل نبردهای لیزری در فیلم های علمی تخیلی، در واقعیت خیلی هیجان انگیز نخواهند بود.

با این حال، فیزیک کوانتوم پیش بینی می کند که پدیده ای به نام پراکندگی نور از نور وجود دارد. لیزرهای معمولی قدرت کافی برای آشکار کردن این اثر را ندارند اما این پدیده در شتاب دهنده ذرات سرن مشاهده شده است. ذرات مجازی می توانند واقعا از هیچ ظاهر شوند، برای مدت خیلی کوتاه با فوتون ها برهمکنش داشته باشند و جهت آن ها را تغییر دهند. این اثر بسیار ضعیف است اما باید با دقت زیادی بررسی شود تا بتوان نظریه های فیزیک ذرات را در آزمایش های دقیق روی میون ها تایید کرد. حالا تیمی در دانشگاه فناوری وین توانسته نشان دهد که یک بخش کمتر مورد توجه قرار گرفته، نقش مهمی در این پدیده دارد: سهم مزون های تنسور. این یافته های جدید در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.

ذرات مجازی چگونه ظاهر می شوند

وقتی فوتون ها با یکدیگر برهمکنش می کنند، ذرات مجازی می توانند به وجود بیایند. این ذرات را نمی توان به طور مستقیم اندازه گرفت چون بلافاصله ناپدید می شوند. در واقع، آن ها همیشه همزمان حضور دارند و ندارند. فیزیک کوانتومی اجازه می دهد حالت هایی به وجود بیاید که از نگاه کلاسیک قابل جمع شدن با هم نیستند.

یوناس ماگر از موسسه فیزیک نظری دانشگاه فناوری وین می گوید: «با وجود این که این ذرات مجازی به طور مستقیم قابل مشاهده نیستند، روی ذرات واقعی اثر قابل اندازه گیری دارند. اگر کسی بخواهد رفتار دقیق ذرات واقعی را محاسبه کند، باید تمام ذرات مجازی قابل تصور را در نظر بگیرد. همین موضوع کار را سخت و البته جذاب می کند.»

زمانی که نور با نور برخورد می کند، یک فوتون ممکن است به جفت الکترون و پوزیترون تبدیل شود. سپس فوتون های دیگر می توانند با این دو ذره تعامل داشته باشند قبل از آن که الکترون و پوزیترون یکدیگر را نابود کرده و دوباره به یک فوتون جدید تبدیل شوند. ماجرا وقتی پیچیده تر می شود که ذرات سنگین تری ایجاد شوند که تحت تاثیر نیروهای قوی هسته ای قرار دارند؛ مثل مزون ها که از یک کوارک و یک آنتی کوارک تشکیل شده اند.

یوناس ماگر می گوید: «مزون ها انواع مختلفی دارند. ما توانسته ایم نشان دهیم که یکی از آن ها به نام مزون های تنسور، نقش خیلی بیشتری نسبت به قبل دارد. آن ها از طریق پراکندگی نور از نور روی ویژگی های مغناطیسی میون ها تاثیر می گذارند و همین باعث می شود بتوان مدل استاندارد فیزیک ذرات را با دقت خیلی بالا مورد آزمایش قرار داد.» مزون های تنسور قبلا هم در محاسبات ظاهر شده بودند اما با تقریب های خیلی ساده. در ارزیابی جدید، سهم آن ها هم قوی تر از چیزی بود که فکر می شد و هم علامت تاثیرشان برعکس نتیجه های قبلی بود. همین موضوع باعث می شود نتایج به سمت مخالف قبلی تغییر کند.

استفاده از روش های نظری متفاوت

این نتیجه باعث شد اختلافی که سال گذشته بین آخرین محاسبات تحلیلی و شبیه سازی های رایانه ای وجود داشت، رفع شود. آنتون ربن از دانشگاه فناوری وین توضیح می دهد: «مشکل این است که محاسبات معمول فقط می توانند تعامل های قوی کوارک ها را در حالت های خاص به خوبی توصیف کنند.»

تیم دانشگاه فناوری وین در مقابل، از روشی غیرمعمول به نام کرومودینامیک کوانتومی هولوگرافیک استفاده کرد. این روش فرایندها را از فضای چهاربعدی (سه بعد فضایی و یک بعد زمانی) به یک فضای پنج بعدی که در آن گرانش هم وجود دارد، نگاشت می کند. در این فضای دیگر، بعضی مسائل راحت تر حل می شود و بعد نتیجه دوباره به فضای اولیه برمی گردد. آنتون ربن می گوید: «مزون های تنسور را می توان به گراویتون های پنج بعدی نگاشت که نظریه گرانش اینشتین پیش بینی های دقیقی درباره آن ها دارد.» حالا ما شبیه سازی های رایانه ای و نتایج تحلیلی داریم که با هم هماهنگ هستند اما با فرضیات قبلی متفاوت اند. امیدواریم این نتایج باعث شود آزمایش های جدیدی درباره مزون های تنسور سریع تر انجام شود.

آزمایش مدل استاندارد فیزیک ذرات

این تحلیل ها برای یکی از بزرگ ترین سوالات فیزیک اهمیت دارند: مدل استاندارد فیزیک ذرات تا چه حد قابل اطمینان است؟ این مدل، نظریه پذیرفته شده ای در فیزیک کوانتومی است که همه انواع ذرات و نیروهای طبیعت (به جز گرانش) را توضیح می دهد.

اعتبار مدل استاندارد به ویژه در برخی آزمایش های خاص مثل اندازه گیری ممان مغناطیسی میون ها بررسی می شود. سال هاست دانشمندان در حال بررسی این موضوع هستند که آیا اختلاف بین نظریه و آزمایش نشان دهنده وجود فیزیک جدید خارج از مدل استاندارد است یا فقط به خاطر عدم دقت یا خطاست. اخیرا اختلاف مربوط به ممان مغناطیسی میون ها کمتر شده است اما برای جستجوی واقعی فیزیک جدید، باید همه عدم قطعیت های نظری باقی مانده با دقت خیلی بالا مشخص شوند. دقیقا همین نقطه است که کار جدید دانشمندان به آن کمک می کند.

در نهایت، این یافته ها می تواند به درک بهتر ساختار بنیادی جهان کمک کند و شاید مسیر کشف فیزیک جدیدی را باز کند که خارج از مدل استاندارد باشد.