¿Los fotones se afectan unos a otros?

Los fotones son partículas elementales y sus interacciones están dictadas por la mecánica cuántica.

En la mecánica cuántica, la fuerza de las interacciones proviene de la constante de acoplamiento que caracteriza la fuerza de la fuerza entre las partículas que interactúan. Para ver si una partícula interactúa con otra partícula escribimos diagramas de Feynman (página abajo en el enlace). Cuando uno calcula la probabilidad de una interacción, uno calcula el cuadrado de un diagrama de Feynman, y en el cálculo cada vértice del diagrama tiene una constante de acoplamiento.

En el caso de las interacciones entre fotones y fotones, hay muchos vértices que entran:

Un diagrama de Feynman (diagrama de caja) para la dispersión fotón-fotón, un fotón se dispersa a partir de las fluctuaciones transitorias de carga de vacío del otro

El cuadrado del cálculo final de este será proporcional al diminuto acoplamiento electromagnético elevado a la octava potencia, ya que es multiplicativo. Por lo tanto, la probabilidad de que un fotón interactúe con otro fotón es, a todos los efectos, cero para la luz y las bajas energías de nuestro entorno (otros factores contribuyen a la sección cruzada y pueden aumentar la probabilidad).

Por lo tanto, existe una probabilidad muy pequeña de que un fotón influya en el camino de otro fotón, que no se puede medir a las energías normales de los fotones. Cuando se alcanzan energías de rayos gamma, del orden de MeV, se abren diagramas extra, de creación de pares, y esta es una historia diferente, porque el número de vértices electromagnéticos se reduce a la mitad, por lo que la probabilidad es mucho mayor, y también la probabilidad crece con la energía. Hay propuestas para colisionadores gamma gamma .

Los fotones se sincronizan entre sí , es decir, crean una onda electromagnética coherente y existe una función de onda colectiva que puede mostrar efectos de interferencia, pero es una superposición, una suma de funciones de onda, no una interacción. El complejo conjugado al cuadrado de la función de onda colectiva es la cantidad medible.

En cuanto a sus otras preguntas,

Dos bosones a dos fermiones: es posible en lo que respecta a la conservación de números cuánticos, excepto que los bosones que podemos controlar en el laboratorio son inestables y no se pueden usar en experimentos de dispersión, que son los únicos que podemos controlar. Dependemos de que el modelo estándar esté validado y argumentamos a partir de las propiedades teóricas que otorga a las partículas. Estas reacciones son importantes en un modelo cosmológico donde existe una sopa de energía y partículas en tiempos muy tempranos, después de 10^-32 segundos.

La pregunta en efecto tiene varias respuestas porque se pueden considerar varias situaciones.

En la electrodinámica clásica en el vacío no hay interacción luz-luz, porque las ecuaciones son lineales. En la física clásica, si cruzas dos rayos láser en el vacío , ninguno afectará al otro.

En presencia de un medio hay una respuesta no lineal del medio. Los campos eléctricos y magnéticos de la luz ejercen una fuerza sobre las partículas del medio. Dado que las partículas cargadas positiva y negativamente experimentan fuerzas opuestas (y pueden tener una masa significativamente diferente), se crean cargas y corrientes netas en el medio, que crean nuevos campos eléctricos y magnéticos. Por lo tanto, disparar dos láseres en un plasma al mismo tiempo es diferente de disparar uno y luego el otro. Las ondas se afectan unas a otras, peroes una exageración llamar a esto interacción luz-luz. En un medio, una onda es siempre tanto una onda electromagnética como una onda de materia. En un plasma los llamamos plasmones, y en realidad es una interacción plasmón-plasmón.

La interacción luz-luz en el vacío es algo estrictamente cuántico, porque el proceso$e^+ e^- \to \gamma + \gamma$, número variable de partículas, es un fenómeno que encaja perfectamente en la teoría cuántica de campos, pero no en la mecánica cuántica clásica o no relativista.

Ahora la electrodinámica cuántica permite no sólo$e^+ e^- \to \gamma + \gamma$pero también el proceso inverso$\gamma + \gamma \to e^+ e^-$. El proceso anterior se puede observar hoy en día con algunos equipos de mesa como laboratorio de pregrado. Este último hasta ahora no se ha observado en el laboratorio. Pero la electrodinámica cuántica es la parte mejor probada de la física y no hay forma plausible de modificarla para prohibir$\gamma + \gamma \to e^+ e^-$. No se trata de "bueno, esta constante era diferente de lo que pensábamos", sino de tener que inventar algo diferente a la teoría cuántica de campos y también deshacerse de la relatividad especial.

Me atrevo a estar tan seguro de algo que nunca se ha observado directamente porque cada experimento QED lo suficientemente preciso es indirectamente una prueba de la tasa de$\gamma + \gamma \to e^+ e^-$. Esto se debe a que la mecánica cuántica en la formulación de la integral de trayectoria de Feynman me dice que para calcular la amplitud de probabilidad para pasar de$A$a$B$Debería sumar las amplitudes de todas las formas de llegar desde$A$a$B$. Bueno, en la teoría de campos, eso significa, por ejemplo, para la dispersión de electrones y positrones que debería considerar este proceso de aniquilación de partículas, luego los fotones crean un nuevo par de partículas. Y luego confío en la tasa de$\gamma+\gamma\to e^+e^-$.

Naturalmente, para la propagación de dos fotones, necesito considerar este proceso que representa una interacción genuina de luz a luz. No hay electrones o positrones reales para mediar la interacción aquí; esta descripción es solo una herramienta para los cálculos, no "lo que realmente está sucediendo", pero QED predice la dispersión de la luz por la luz de todos modos.

Tal vez no sea exactamente lo que estaba buscando, pero mientras que las interacciones fotón-fotón en el vacío, como se describe anteriormente, son extremadamente débiles, la interacción fotón-fotón en presencia de un medio puede ser muy notable, siendo un ejemplo dramático el efecto Kerr óptico . Las no linealidades ópticas pueden incluso hacerse tan grandes como para mediar en las interacciones entre fotones individuales, por ejemplo aquí o aquí .

Advertencia: en las no linealidades ópticas descritas anteriormente, los fotones de hecho están cambiando los caminos de los demás, pero requieren la presencia de materia para hacerlo.

Dentro del primer segundo, después del Big Bang, cuando el universo era extremadamente pequeño y la temperatura era de millones de kelvins, los fotones interactuaron y se convirtieron en un par protón-anti-protón o un par electrón-positrón o un par Kaon positivo-Kaon negativo u otra partícula-antipartícula. pares Estos pares partícula-antipartícula luego se convirtieron en pares fotón-fotón y viceversa. De esta manera, el fotón (radiación) y la materia (electrón, protón, Kaón, pión, etc.) estaban en equilibrio térmico.