【量子力学五大预言】欧洲大型强子对撞机证实量子力学早期预言:光能与自身发生互相作用

2020-05-05 - 量子力学

欧洲强子对撞机是目前世界上研究物理学最高端的实验设施之一,它有很多重要的工作要做,比如用旧物质互相碰撞的方法来寻找新的物质。当然,还有完全反过来的实验,比如通过加速器来实现一些物理学家一直以来难以观测到的现象,而不仅仅是碰撞粒子。

量子力学五大预言

英国《每日邮报》8月17日报道,欧洲大型强子对撞机(LHC)在近期的实验中证实了量子力学中一个长期以来一直存在但是没有获得论证的预言。

具体进行这一实验的是欧洲粒子物理研究所(CERN)负责的超环面仪器项目(ATLAS,LHC的7个探测器之一),该项目的物理学家表示,他们观测到了一种被称为是“光与光散射干涉”的现象,这是光在高能量状态下与自身发生互相作用并改变方向的直接证据。

实验数据图表,来自CERN

在高中物理学中,如果两个光波接触到一起,他们通常会彼此叠加成一个新的光波。以电磁学研究的方法来研究光的话,光子就是光的最小粒子,物理学家们认识到光子可以彼此接触,交换信息,然后散射,真正的挑战在于如何观测到这个过程。

在低能量情况下,科学家们仅仅能观测到2个光子在互相发生作用后的出现,但是看不到是怎么进去的,因此就需要大型电子对撞机的帮助,提供一个高能量的环境来进行这个实验操作。

最早的时候,研究人员发现可以通过质子束的碰撞来进行观测,但是实验数据太过混乱,后来通过加速器的重离子运行(剥离了电子的铅原子),科学家们终于获得了更加干净的观测结果。

大型强子对撞机内部构造,图片来自CERN

这一现象对于目前的量子电动力学的研究有着至关重要的作用,科学家寻求这一里程碑式的结果已经长达数十年。现在,科研人员终于可以宣布获得光子可以互相影响并改变方向的证据了。

来自谢菲尔德大学的ATLAS项目协调员丹·托维表示:“这次的发现具有里程碑式的意义,这是首次有直接证据证明光在高能量状态下会发生自身干涉。这一理论在经典物理的电子学中是不可能存在的,现在这个实验结果为我们理解量子电动学提供了敏感的测试方法。”

这一现象是在2015年开始的大型强子对撞机的第二轮运行中发现的。在第二轮运行(RUN 2)中,粒子加速器以前所未有的速度加速并碰撞铅离子,在碰撞过程中,研究中首次获得了“光与光散射干涉”现象的证据。

ATLAS项目重离子物理学小组召集人,来自美国布鲁克海文国家实验室的彼得·斯坦伯格说:“这个实验关于重离子和高能物理学的实验实际上已经进行了好几年,因为此前的几组数据表明,我们可以通过研究RUN 2中的铅离子碰撞来获得最至关重要的数据。”

ATLAS公布的关于碰撞实验的图解

根据CERN所公布的信息,重离子碰撞创造了一个“干净的环境”来研究这种现象:当铅离子加速时,其周围会产生光子。但是在绝大多数情况下,铅离子在加速器里相遇时很难发生碰撞,但是光子会在其周围产生,并且发射散射现象,这一过程被称为是“超外围碰撞”(ultra-peripheral collisions)。

在第二轮测试中,研究人员提取了超过40亿次事件的数据,在其中筛选出了13次显著性达到4.4的光散射现象。

根据计划,研究人员将在2018年开始的新一轮重离子运行中对这一现象进行进一步的研究,以获取更准确的结果。

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