Klasik dalga teorisine göre uzayda kesişen iki elektromanyetik dalga birbirine karışmaz. Aslında bu, bir cisim veya parçacığın aksine, bir dalganın geleneksel tanımının çok önemli bir özelliğidir: iki dalga bir araya geldiğinde, her biri diğerinin varlığından “bilmeden” aynı anda kısaca aynı alanı işgal eder. Parçacıklar ise birbirlerine yaklaştıklarında etkileşirler (veya saçılırlar) ve bu karşılaşmanın sonuçları ölçülebilir.
Süperpozisyon İlkesi
Bu fikrin matematiksel omurgası, sözde süperpozisyon ilkesidir. Alanlarda ve kaynaklarda dalga yayılımını tanımlayan denklemlerin hepsinin lineer olması gerçeğinden kaynaklanır, yani bu niceliklerin kareleri veya küpleri halinde oluşmazlar. Yakınlarda olan bu tür iki dalgayı aldığımızda, denklemlerin doğrusallığı, tüm dalgayı farklı yönlerde hareket eden iki ayrı dalganın doğrusal bir süperpozisyonu olarak ele alabileceğimizi ima eder. Denklemler iki senaryo arasında ayrım yapmaz.
Bu hikaye, ışığın nicelleştirilmesini öngören Albert Einstein’ın ve 1940’larda Shin’ichirō Tomonaga, Julian Schwinger ve Richard Feynman tarafından Kuantum Elektrodinamiğinin müteakip biçimsel gelişiminin öngörülerinden sonra daha da ilginçleşiyor. Işığın kuantum teorisinde, artık “sadece” bir dalga değil, hem dalga hem de foton adı verilen bir parçacık olarak ele alınabilen ikili bir varlıktır.
Işık Saçılımı Nedir?
Işığın bir parçacık olarak yeni yorumu, tıpkı parçacıkların yapacağı gibi, iki elektromanyetik dalganın birbirini geçerken gerçekten etkileşime girebileceği olasılığını ortaya çıkarıyor. Matematiksel eşdeğer ifade, ışığın kuantum teorisinin artık tamamen doğrusal olmayan, bunun yerine doğrusal olmayan küçük bir kısım içeren dalga denklemleri vermesidir. Doğrusal olmayan katkılar çok küçük olmalıdır, aksi takdirde etkileri zaten tespit etmiş olurduk, ancak yine de bunların kuantum teorisi tarafından meydana geleceği tahmin ediliyor. Bu bağlamda, ışıktan ışık saçılımı denir.
2017 yılında, LHC’deki ATLAS deneyi, göreli ağır iyonların çarpışmalarını kullanarak, ışıktan ışık saçılımının ilk doğrudan kanıtını gözlemledi. Bu çok nadir görülen bir fenomen olduğundan, ona doğrudan deneysel olarak duyarlı hale gelmemiz uzun zaman aldı.
Deney, 5.02 TeV kütle merkezi enerjisinde (veya proton kütlesinin yaklaşık 5.000 katı) kurşun iyonlarının (Z=82) Ultra-Çevresel Çarpışmalarına (UPC) dayanmaktadır. UPC çarpışmalarında, iki gelen ışın, ışın parçacıklarının sert saçılmaya daha az maruz kalması ve bunun yerine birbirlerini “sıyrılması” için yeterince uzaktadır.
Bu, menzili küçük olduğundan ve yalnızca nükleer kapsama sahip olduğundan, güçlü kuvvetin genellikle bu tür etkileşimlerde yer almadığı anlamına gelir. Bunun yerine, UPC olaylarında elektromanyetik etkileşim baskındır.
