Om du inte insåg det är fotoner små små ljusbitar. I själva verket är de det minsta möjliga ljuset. När du slår på en lampa, springer gigantiska antal fotoner från den glödlampan och smälter in i ögonen, där de absorberas av näthinnan och förvandlas till en elektrisk signal så att du kan se vad du gör.
Så du kan föreställa dig hur många fotoner som omger dig när som helst. Inte bara från lamporna i ditt rum, utan fotoner strömmar också in genom fönstret från solen. Även din egen kropp genererar fotoner, men hela vägen ner i infraröda energier, så du behöver nattsynsglasögon för att se dem. Men de är fortfarande där.
Och naturligtvis bombarderar alla radiovågor och ultravioletta strålar och alla andra strålar dig och allt annat ständigt med en oändlig ström av fotoner.
Det är fotoner överallt.
Dessa små paket med ljus är inte tänkta att interagera med varandra, de har i grunden ingen "medvetenhet" om att de andra till och med existerar. Fysikens lagar är sådana att en foton bara går förbi en annan med noll interaktion.
Det var vad fysiker tänkte åtminstone. Men i ett nytt experiment i världens mest kraftfulla atomsmaskare fick forskarna en glimt av det omöjliga: fotoner som stöter på varandra. Fångsten? Dessa fotoner var lite av deras spel, vilket innebar att de inte agerade som dem själva och istället hade tillfälligt blivit "virtuella". Genom att studera dessa supersällsynta interaktioner hoppas fysiker att avslöja några av de grundläggande egenskaperna hos ljus och kanske till och med upptäcka ny högenergifysik, som storslagna enhetliga teorier och (kanske) supersymmetri.
En lätt touch
Vanligtvis är det bra att fotoner inte interagerar med varandra eller studsar från varandra, för det skulle vara ett totalt galet hus med fotoner som aldrig går någonstans i någon form av rak linje. Så, tack och lov, kommer två fotoner helt enkelt att glida av varandra som om den andra inte ens existerar.
Det är för det mesta.
I högenergiförsök kan vi (med mycket armbågsfett) få två fotoner att slå varandra, men detta händer mycket sällan. Fysiker är intresserade av denna typ av process eftersom den avslöjar några mycket djupa egenskaper hos själva ljusets natur och kan hjälpa till att avslöja viss oväntad fysik.
Fotoner interagerar så sällan med varandra eftersom de endast ansluter till partiklar som har elektriska laddningar. Det är bara en av de universums regler som vi måste leva efter. Men om detta är universums regel, hur kan vi någonsin få två fotoner, som inte har någon laddning, för att ansluta till varandra?
När en foton inte är det
Svaret ligger i en av de mest otänkbara och ändå läckra aspekterna av modern fysik, och det går under det skraj namnet på kvantelektrodynamik.
I den här bilden av den subatomära världen är fotonen inte nödvändigtvis en foton. Tja, åtminstone är det inte alltid en foton. Partiklar som elektroner och fotoner och alla de andra -onerna vänder kontinuerligt fram och tillbaka och ändrar identitet när de reser. Det verkar förvirrande till en början: Hur kan man säga, en ljusstråle vara något annat än en ljusstråle?
För att förstå detta galna beteende måste vi utöka vårt medvetande lite (för att låna ett uttryck).
När det gäller fotoner, när de reser, då och då (och kom ihåg att detta är extremt, extremt sällsynt), kan man ändra åsikt. Och istället för att bara vara en foton, kan det bli ett par partiklar, en negativt laddad elektron och en positivt laddad positron (elektronens antimateriapartner), som reser tillsammans.
Blinka och du kommer att sakna det, eftersom positron och elektron kommer att hitta varandra, och, som händer när materie och antimateria möts, förintas de, poof. Det udda paret förvandlas tillbaka till en foton.
Av olika skäl som är alldeles för komplicerade för att komma in just nu, när detta händer, kallas dessa par virtuella partiklar. Det räcker med att säga att du i nästan alla fall aldrig kommer att interagera med de virtuella partiklarna (i detta fall positron och elektron), och att du bara någonsin pratar med fotonen.
Men inte i alla fall.
Ett ljus i mörkret
I en serie experiment som genomförts av ATLAS-samarbetet vid Large Hadron Collider under den fransk-schweiziska gränsen och nyligen överlämnats till online-förtryckstidsskriftet arXiv, spenderade teamet alldeles för mycket tid på att smita blykärnor i varandra med nästan ljusets hastighet . Men de lät faktiskt inte ledpartiklarna träffa varandra; istället kom bitarna bara väldigt, väldigt, väldigt, mycket nära.
På detta sätt, istället för att behöva hantera en gigantisk röra med en kollision, inklusive många extra partiklar, krafter och energier, samverkade ledatomerna bara via den elektromagnetiska kraften. Med andra ord bytte de bara en hel del fotoner.
Och då och då - extremt, otroligt sällan - skulle en av dessa fotoner kort förvandlas till ett par bestående av en positron och en elektron; sedan skulle en annan foton se en av dessa positroner eller elektroner och prata med den. En interaktion skulle inträffa.
Nu, i denna interaktion, fotonerna bara slags stötar i antingen elektron eller positron och går av på sitt glada sätt utan skada. Så småningom hittar den positronen eller elektronen sin kompis och återgår till att vara en foton, så resultatet av två fotoner som träffar varandra är bara två fotoner som hoppar av varandra. Men att de alls kunde prata med varandra är anmärkningsvärt.
Hur anmärkningsvärt? Tja, efter biljoner på biljoner kollisioner upptäckte teamet totalt 59 potentiella korsningar. Bara 59.
Men vad berättar de 59 interaktionerna om universum? För det första validerar de den här bilden att en foton inte alltid är en foton.
Och genom att gräva in i själva kvantiteten hos dessa partiklar, kunde vi lära oss lite ny fysik. Till exempel, i vissa snygga modeller som driver gränserna för känd partikelfysik, inträffar dessa fotoninteraktioner med något olika hastigheter, vilket potentiellt ger oss ett sätt att utforska och testa dessa modeller. Just nu har vi inte tillräckligt med data för att berätta skillnaderna mellan någon av dessa modeller. Men nu när tekniken är etablerad kan vi kanske bara göra några framsteg.
Och du kommer att behöva ursäkta det mycket uppenbara slutspelet här, men förhoppningsvis kan vi kasta lite ljus på situationen.
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av "Fråga en Spaceman" och "Rymdradio,"och författare till"Din plats i universum."
