如果兩個光子相撞會出現什麼狀況？

他是最受媒體歡迎的科學家，也是會寫詩的天文學家，儘管工作任務極為繁重，仍堅持以極大的熱情投身科學傳播，他就是張雙南。

我們特別收集整理了「悟空問答」上張雙南對部分提問的回答, 與您共享科學。本文為張雙南問答系列第七則。

張雙南

— 研究員 —

張雙南，中國科學院高能物理研究所研究員，中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任。研究領域為黑洞、中子星、宇宙學和空間天文。天宮二號「天極」伽瑪射線暴偏振測量項目、「硬X射線調製望遠鏡」衛星項目以及若干大型國際合作空間天文項目首席科學家。

入選國家傑青、長江教授、「千人計劃」。獲「趙九章優秀中青年科學獎」、義大利Ferrara大學「哥白尼科學家獎」。

網友提問

如果兩個光子相撞會出現什麼狀況？要知道光子的速度為每秒三十萬公里

這個問題和我前面回答的「既然電子/正電子湮滅產生一對伽馬光子，為何一對伽馬光子不能反過來變為電子/正電子？」那個問題差不多是一樣的。一對伽馬光子是可以反過來變為電子和正電子對的，但是必須兩個光子的能量足夠高才行。要高到什麼程度呢？我在回答那個問題的時候說「只要它們的能量加起來超過兩個電子的靜止質量根據E＝mc2對應的能量，就能夠產生一對電子和正電子。不過實際情況要略微複雜一點，要求的是在兩個光子的動量中心的參考系裡面（在這個參考系裡面兩個光子的動量之和等於零），它們的能量之和超過兩個電子的靜止質量根據E＝mc2對應的能量。」

我舉例說，「正是由於伽馬射線光子的這個性質，我們在地球上無法探測到宇宙很遠處的高能伽馬射線光子，因為這些光子會和宇宙微波背景輻射光子以及恆星和氣體發出的紅外光子作用產生電子和正電子對。」但是有一個朋友表示不服：「而實際上，已經在地球的衛星上，探測到了宇宙深處的「γ射線暴」，那些γ射線的能量超過了1.022 MeV。注意，是在地球的衛星上，而不是什麼「遠離地球」的地方。」

這事我當然知道，我自己的團隊造的伽馬射線探測器探測到的比這能量高得多的伽馬射線暴也不是一個兩個了。但是要想探測到能量再高，比如到幾個TeV能量的伽馬射線暴的光子就是奇蹟了（當然至今還沒有發生），因為這樣的高能伽馬射線光子在旅途中很難逃過沿途圍追堵截的大量的宇宙微波背景輻射或者紅外輻射的低能光子，它們的相遇立刻就會碰撞出火化，產生正反電子對、甚至其它正反粒子對。

那麼這個朋友犯了什麼錯誤呢？

錯誤就在於他太急於想否定別人而顯示自己那一知半解了：他根本沒有注意或者不理解我進一步解釋的「在兩個光子的動量中心的參考系裡面...」。那麼為什麼換一個參照系，光子的能量和動量就會不一樣呢？假設這個新參照系是迎著能量低的那個光子以高速運動，那麼在這個參照系裡面的觀測者看到的原來的低能光子的能量和動量就增加了，就像你迎著一個高鐵快速衝上去，高鐵的能量和動量相對於你都會增加，你被撞的會更慘。但是你可能會問了，高鐵的例子是由於相對於我的速度增加了，但是光速是不變的啊？光速當然不變，但是你沖著光子跑的時候，由於多普勒效應，光子的頻率就增加了，等效於能量和動量增加了。同樣的道理，追著你的那個原來高能量的伽馬射線光子的能量和動量相對於你就變低了。因此你總是能夠找到一個合適的速度，使得兩個光子的動量（和能量）都變得一樣，你所處的這個參照系就是動量中心參照系。希望那位朋友能夠明白這個道理。

那麼如果這兩個光子不滿足這個條件怎麼辦？那就什麼都不發生，這兩個光子就像沒有看到對方那樣擦肩而過！宇宙中的大部分光子都是這樣的，所以大部分的宇宙背景輻射的光子都能夠從大爆炸開始，旅行了大約140億年，路上遇到過無數的光子，但是都是假裝沒有看到對方，最後終於到達了地球，被我們探測到了，所以我們才知道宇宙是由大爆炸產生的，否則我們就沒有辦法知道宇宙的起源了！

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