大型強子對撞機證實量子力學最早預言：光能與自身發生互相作用

【文/觀察者網 王宇波】

歐洲強子對撞機是目前世界上研究物理學最高端的實驗設施之一，它有很多重要的工作要做，比如用舊物質互相碰撞的方法來尋找新的物質。當然，還有完全反過來的實驗，比如通過加速器來實現一些物理學家一直以來難以觀測到的現象，而不僅僅是碰撞粒子。

英國《每日郵報》8月17日報道，歐洲大型強子對撞機（LHC）在近期的實驗中證實了量子力學中一個長期以來一直存在但是沒有獲得論證的預言。

具體進行這一實驗的是歐洲粒子物理研究所（CERN）負責的超環面儀器項目（ATLAS，LHC的7個探測器之一），該項目的物理學家表示，他們觀測到了一種被稱為是「光與光散射干涉」的現象，這是光在高能量狀態下與自身發生互相作用並改變方向的直接證據。

實驗數據圖表，來自CERN

在高中物理學中，如果兩個光波接觸到一起，他們通常會彼此疊加成一個新的光波。以電磁學研究的方法來研究光的話，光子就是光的最小粒子，物理學家們認識到光子可以彼此接觸，交換信息，然後散射，真正的挑戰在於如何觀測到這個過程。

在低能量情況下，科學家們僅僅能觀測到2個光子在互相發生作用後的出現，但是看不到是怎麼進去的，因此就需要大型電子對撞機的幫助，提供一個高能量的環境來進行這個實驗操作。

最早的時候，研究人員發現可以通過質子束的碰撞來進行觀測，但是實驗數據太過混亂，後來通過加速器的重離子運行（剝離了電子的鉛原子），科學家們終於獲得了更加乾淨的觀測結果。

大型強子對撞機內部構造，圖片來自CERN

這一現象對於目前的量子電動力學的研究有著至關重要的作用，科學家尋求這一里程碑式的結果已經長達數十年。現在，科研人員終於可以宣布獲得光子可以互相影響並改變方向的證據了。

來自謝菲爾德大學的ATLAS項目協調員丹·托維表示：「這次的發現具有里程碑式的意義，這是首次有直接證據證明光在高能量狀態下會發生自身干涉。這一理論在經典物理的電子學中是不可能存在的，現在這個實驗結果為我們理解量子電動學提供了敏感的測試方法。」

這一現象是在2015年開始的大型強子對撞機的第二輪運行中發現的。在第二輪運行（RUN 2）中，粒子加速器以前所未有的速度加速並碰撞鉛離子，在碰撞過程中，研究中首次獲得了「光與光散射干涉」現象的證據。

ATLAS項目重離子物理學小組召集人，來自美國布魯克海文國家實驗室的彼得·斯坦伯格說：「這個實驗關於重離子和高能物理學的實驗實際上已經進行了好幾年，因為此前的幾組數據表明，我們可以通過研究RUN 2中的鉛離子碰撞來獲得最至關重要的數據。」

ATLAS公布的關於碰撞實驗的圖解

根據CERN所公布的信息，重離子碰撞創造了一個「乾淨的環境」來研究這種現象：當鉛離子加速時，其周圍會產生光子。但是在絕大多數情況下，鉛離子在加速器里相遇時很難發生碰撞，但是光子會在其周圍產生，並且發射散射現象，這一過程被稱為是「超外圍碰撞」（ultra-peripheral collisions）。

在第二輪測試中，研究人員提取了超過40億次事件的數據，在其中篩選出了13次顯著性達到4.4的光散射現象。

根據計劃，研究人員將在2018年開始的新一輪重離子運行中對這一現象進行進一步的研究，以獲取更準確的結果。

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