Si dos fotones que viajan en direcciones opuestas a lo largo de la misma línea colisionan, ¿tendrá la partícula resultante una velocidad de cero con respecto al resto del espacio-tiempo en el instante de la colisión?
Si dos fotones que viajan en direcciones opuestas a lo largo de la misma línea colisionan, ¿tendrá la partícula resultante una velocidad de cero con respecto al resto del espacio-tiempo en el instante de la colisión?
Los fotones son partículas de mecánica cuántica. En las dimensiones microscópicas donde interactúan las partículas mecánicas cuánticas existen reglas de la Naturaleza que dominan estas dimensiones, aunque suelen ser insignificantes en las dimensiones macroscópicas.
Una de estas normas es la Principio de incertidumbre de Heisenberg HUP,: no se puede definir la ubicación de una partícula y el momento de una partícula con una precisión mejor que:
donde $\hbar =6.62606957(29)×10^{34}$ Joule segundo un número muy pequeño es por eso que es efectivamente cero en dimensiones macroscópicas.
Por tanto, dos fotones, incluso con la misma energía, no colisionarán en un punto.
Entrando en sus matemáticas, las interacciones fotón-fotón son muy muy débiles, ya que no hay interacción de primer orden entre dos fotones, sino que tienen que pasar por un bucle de partículas. Además, la conservación del momento requiere que salgan dos partículas.
Un diagrama de Feynman (diagrama de caja) para la dispersión fotón-fotón, un fotón se dispersa a partir de las fluctuaciones transitorias de carga en el vacío del otro
Los diagramas de Feynman tienen una correspondencia uno a uno con integrales calculables que darán la probabilidad para una interacción dada.
Un fotón transporta energía, dos fotones tener un masa invariante . En su sistema de centro de masa, dependiendo de la energía disponible de cada uno, la salida puede ser de nuevo dos fotones, o si existe energía suficiente para generar partículas masivas, existirá una probabilidad mecánica cuántica para la interacción. Proponen colisionadores de fotones de alta energía, colisionadores gamma gamma .
Esto se conoce como dispersión Delbrück es.wikipedia.org/wiki/Delbr%C3%BCck_scattering y al ser un efecto de cuatro vértices es realmente pequeño.
Quieres decir... que si la trayectoria que los llevó el uno hacia el otro fue una en la que estos fotones inician su ciclo en formación esférica apretada alrededor de un vacío, donde cada fotón que forma la esfera viaja hacia fuera en una trayectoria circular alejándose el uno del otro en el mismo instante con igual impulso y donde la trayectoria colectiva de todos ellos traza una esfera de vórtice, donde cada par de fotones se encuentran de frente dos veces; 1)más lejos de la esfera fotónica inicial y 2) de nuevo en la superficie de la esfera fotónica, y el punto de colisión 2 es alto en energía se creará materia?
Los vórtices y demás pertenecen a la física macroscópica. Los cálculos de mecánica cuántica se representan mediante diagramas de Feynman y no tienen nada que ver con vórtices y "esferas de fotones". El fotón es una partícula elemental, es decir, una partícula puntual, nada de esferas. Las reglas de la mecánica cuántica nos dicen que dada la energía suficiente para poder crear paraticles, habrá una probabilidad de que en el scatering se creen, que es lo que pretenden estudiar los colisionadores gamma gamma.
Generalmente no, porque la velocidad no es una magnitud que se conserve. Se conserva impulso que se conserva en todas las interacciones. Para los fotones, la magnitud del momento es simplemente $$ p = \frac{E}{c} = \frac{h\nu}{c} = \frac{h}{\lambda}, $$ por lo que fotones con energías/frecuencias/longitudes de onda diferentes tendrán momentos diferentes. Si el momento total es distinto de cero antes de la colisión, también lo será después.
Interesante, ¿así que teóricamente en el vacío si los dos fotones parten de un único y exclusivo centro gravitatorio por una misma fuerza en direcciones opuestas a lo largo de la trayectoria elíptica de uno de los polos del momento dipolar de un anillo por cuyo centro (el mismo que el centro gravitatorio) sólo cabe un fotón podríamos esperar que los fotones se encontraran una vez en un punto de colisión de baja energía en el borde exterior del anillo y otra vez en el punto de alta energía del centro del anillo donde sólo podría pasar uno sería la excepción a tu respuesta "generalmente no" a mi pregunta?
Obsérvese que la probabilidad de colisión puede aumentar considerablemente en algunos materiales no lineales (como un Kerr medio ). Como ya se ha dicho, el vacío es un material muy poco lineal.
La "velocidad" resultante para el fotón sería su momento $\mathbf{k}$ La regla es que, si no se producen pérdidas en el material, el momento y la energía deben conservarse: $\mathbf{k}_{1}+\mathbf{k}_{2} = \mathbf{k}'_{1}+\mathbf{k}'_{2}$ . Pero se trata de cantidades vectoriales y $\mathbf{k}_{1}+\mathbf{k}_{2} = \mathbf{0}$ no implica $\mathbf{k}'_{1} = \mathbf{0}$ y $\mathbf{k}'_{2} = \mathbf{0}$ . Son posibles muchas soluciones, estudiadas por óptica no lineal . Además, la conservación de la energía impone más restricciones.
Las fotos son bosones. Pueden ocupar los mismos estados cuánticos y el mismo lugar en el espacio, por lo que en realidad no pueden "colisionar". Si dos fotones que viajan en direcciones opuestas por la misma línea colisionan, simplemente se atraviesan.
Creo que probablemente estabas pensando en la producción por parejas. Es un proceso completamente diferente en el que dos fotones energéticos interactúan con el núcleo y crean un par partícula-antipartícula.
Para aclarar: el hecho de que dos fotones puedan ocupar el mismo estado no impide que interactúen. Las ecuaciones de Maxwell son lineales, por lo que en cualquier régimen en el que se apliquen las ecuaciones de Maxwell, los fotones raramente interactuarán. No obstante, eso no lo hace imposible.
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Los fotones son bosones, por lo que técnicamente no pueden colisionar per se.
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Pueden interactuar a través de un bucle de fermiones. Es muy, muy raro, pero posible (e incluso se ha medido experimentalmente, creo).