¿Qué pasa cuando dos fotones chocan entre sí, de frente, en un punto muerto?

Question

Si dos fotones chocaran directamente, de frente, y son de la misma energía, ¿qué pasa? ¿Se crean nuevas partículas, se libera energía? ¿O simplemente pasan una a través de la otra?

Answer 1

Los fotones no interactúan directamente entre sí, pero si un par de fotones produce un e+/e- entonces el segundo fotón podría interactuar con ese par.

La interacción tiene que conservar la energía de los dos fotones y conservar también su momento, por supuesto.

Pero sí podrían (y muy probablemente dependiendo de su energía) pasar directamente "a través" del otro.

Answer 2

Por lo general, absolutamente nada. El electromagnetismo es lineal, lo que significa que el resultado de hacer algo con dos fotones es la superposición de los resultados de hacer algo con cada uno por separado. Según este razonamiento, dado que un fotón por sí mismo sigue su propio camino, dos fotones, incluso si se acercan el uno al otro, siguen sus respectivos caminos sin interactuar en absoluto.

Sin embargo, ¡el universo no es sólo electromagnetismo! También tenemos partículas cargadas, y "cargado" significa "interactúa con los fotones". Por lo tanto, los fotones empujan a las partículas cargadas. Eso significa que los fotones pueden interactuar indirectamente: el primer fotón empuja a la partícula, la partícula se mueve a algún lugar nuevo, la partícula interactúa con el segundo fotón.

Además, si tienes un fotón con suficiente energía (o un número suficientemente grande de fotones con menor energía) entonces el fotón o los fotones pueden realmente crear partículas cargadas. Supongamos que toma un fotón con energía $E$ para crear una partícula cargada. Si tenemos dos fotones, cada uno con energía $E/2$ Si los fotones se acercan entre sí, puede que se cree una partícula cargada, lo que no ocurriría con ninguno de los fotones por separado. Se necesita un lote de energía para que esto ocurra. Para crear un electrón se necesita un fotón con una longitud de onda de

$$\lambda = \frac{c}{\nu} = \frac{c}{E/h} = \frac{c}{m c^2 / h} \approx 10^{-12} \, \text{m}$$

que es bastante pequeño: una centésima parte del diámetro de un átomo. La luz visible está en el rango de alrededor de $6 \times 10^{-7} \, \text{m}$ Así que se necesita una longitud de onda diez mil veces menor, lo que significa diez mil veces más energía, que la luz visible. Si los fotones están creando partículas cargadas, entonces pueden interactuar indirectamente sin que haya cargas flotando a priori. Eso hace que sea como si interactuaran directamente porque no hay materia obvia flotando alrededor que medie la interacción. En el caso de que las partículas cargadas sean creadas, medien una interacción fotón-fotón, y luego sean destruidas, esas partículas se llaman partículas virtuales . Esto puede ocurrir incluso si los fotones no tienen suficiente energía para crear las partículas. La conservación de la energía puede ser violada por una cantidad $\Delta E$ si la interacción sólo dura un tiempo $\Delta t \approx \hbar / \Delta E$ A grandes rasgos.

Answer 3

En el orden principal, no ocurre nada en ninguna "colisión" de fotones.

En un orden superior hay interacciones luz-luz que implican bucles de partículas, pero no dependen (no pueden depender) de la geometría porque siempre podemos impulsar a un fotograma en el que el par tiene momento neto cero (aunque no se puede impulsar al fotograma en el que un solo fotón tiene momento cero).

Answer 4

Dos fotones de rayos gamma se producen por la colisión de un electrón y un positrón. Si las leyes de la física son reversibles a nivel cuántico, existe la posibilidad de que la colisión de dos fotones de rayos gamma produzca un positrón y un electrón.

Sin embargo, es cuestionable que esto no viole la 2ª ley de la termodinámica. Me parece que un sistema positrón-electrón tiene menos entropía que un sistema de dos fotones, simplemente porque hay más formas de distribuir la energía conservada del sistema entre dos fotones idénticos que entre un positrón y un electrón. Los dos fotones podrían pasar uno a través del otro sin cambiar la naturaleza del sistema, mientras que tal estado cambiaría significativamente el sistema positrón-electrón.

Answer 5

Dos fotones que se mueven en direcciones opuestas ("de frente") pueden chocar y salir en direcciones diferentes (aún opuestas si los fotones tienen energías iguales), Si tienen suficiente energía, los fotones podrían producir un par electrón-positrón. A energías aún mayores, se permiten otros estados finales por conservación de la energía. Las secciones transversales (o probabilidades) de varios estados finales en la dispersión fotónica pueden calcularse con gran precisión en la electrodinámica cuántica.