光波是否有相互作用

在日常生活中，我們發現光這種電磁波似乎總是獨立傳播的，不同波長的光互不影響，例如太陽光照射到地球是白色的，但仍然能分解出紅橙黃綠青藍紫等不同波長的光，同樣的這些不同波長的光混合在一起，也能成為白光。

這樣的現象被稱為光的獨立傳播和疊加原理，這當然是把光看作是波得出的結論，C.惠更斯就曾利用光的這種現象來否定光的微粒說。

不過後來人們發現這一原理雖然在真空中總是成立，但當光在介質中傳播時，若光波強度超過某一限度（例如雷射），獨立傳播原理和疊加原理就不再成立了，這種現象是一種非線性效應，即非線性光學。在非線性介質中傳播的光波之間會產生互相作用，可以有和頻效應、倍頻效應和差頻效應等等。舉個例子就是光纖通信中需要避免出現的四波混頻現象，另外這也是產生高能雷射的重要方法。

小結一下就是光作為波，它在介質中傳播時也會發生相互作用，也可以理解為光波的碰撞。

光子是否有相互作用

但今天我們的標題是光子與光子之間到底會不會碰撞，也就是根據波粒二象性，當我們把光看做粒子時，光子與光子之間會不會有相互作用。按照我們的常識，點亮兩支手電交叉，兩列光線會穿過彼此然後分別駛向遠方。除了在兩列光線的交叉處亮了一些外，好像並沒有什麼了不得的事情發生。

在量子場論、粒子物理中，光子是玻色子而且不帶電，所以它們之間不能直接發生相互作用，但是在高能情況下光子之間可以先與帶電虛粒子耦合從而發生間接的相互作用（這裡的高能指光子的能量，根據光量子能量公式E=(hc/λ)，光的波長越小光子能量越大）。

這種相互作用可以有很多很多種，我們舉以下兩種簡單作用為例，並畫出作用的費曼圖（費曼圖是美國著名物理學家的理察費曼，繼薛丁格波動方程和海森堡矩陣方程後提出的第三種量子力學的形式，是方便地處理量子場中各種粒子相互作用的圖。）

一、光子光子散射

這是最類似標題中理解的那種宏觀物體彈性碰撞的作用，這種作用叫光子光子散射。其中較簡單的情況用費曼圖表示如下：

波浪線代表光子，實線代表電子與正電子。在這個過程中，左邊的兩個光子通過中間的虛電子發生相互作用，生成了右邊的兩個光子，就像兩個小球對撞彈開了一樣。

從圖中可以看到這個過程是四階的，除非光子的能量極高，否則發生的機率是非常非常小的（這就解釋了我們日常生活為什麼觀察不到光子間的碰撞）。

那麼上述過程有沒有實驗證據呢，是有的：

2017年8月16日《Nature Physics》期刊發表了歐洲粒子物理研究所(CERN) ATLAS 實驗的物理學家報告觀察到高能雙光子散射的首個直接證據。

二、光子光子生成正反物質對

除了標題中提到的光子「碰撞」相互作用外，在滿足能量守恆情況下，光子光子相互作用還可以產生正反物質對。這種過程用費曼圖表示如下：

同樣的波浪線代表光子，實線代表正反費米子（例如大家最熟悉的正電子與電子）。在這個過程中，左邊的兩個光子通過中間的虛粒子發生相互作用，生成了右邊的正反費米子。

上面的圖只有兩個頂點，發生的機率比第一張圖要高，但這個過程卻有能量閾值（能量需要守恆）。

舉質量極低的正反電子對為例，就算生成的正反電子對剛好是靜止的（也就是說光子對湮滅後能量剛好轉為電子靜質量能量形式），通過質能方程和光量子波長公式帶入電子的靜質量可以計算出此時所需的光子波長約為：

這屬於高能伽馬射線，但遺憾的是據我所知目前人類能製備的最高能雷射的波長為0.15nm，與上面計算出的那個波長仍有一個數量級的差距，所以目前實驗室中肯定還無法驗證這個過程（雖然強子對撞機中可以產生很高能的光子，但無法集束）。但至少理論中是可行的。

順著思路繼續推導，如果能不斷提高光子能量，理論上可以產生出更重的粒子。如果光子能量極高，大量的這種高能光子光子過程會產生出成千上萬的各種不同的物質，而在各種力的作用下，這些物質膨脹凝聚，形成宏觀可見的物體。上面這段話是不是有點眼熟？沒錯，像極了宇宙大爆炸。

不遠將來的光子對撞機

各國籌劃中的光子對撞機就是利用這種光子光子生成正反物質的相互作用來製造的高能加速器，可以用來產生例如希格斯粒子等，而且比起電子對撞機其生成希子的過程更為直接、需要的能量也更低。目前的高能粒子對撞機只有電子、質子和重離子等帶電粒子加速器（因為帶電粒子才易於加速與集束），但光子對撞機可以通過改造正負電子對撞機來實現，原理是逆康普頓效應：在正負電子對撞機中把電子加速到極高的能量，然後向電子發射一束較低能的雷射，這束雷射和高能電子束迎面發生碰撞，這樣我們就可以獲得能量極高的伽瑪光子束，然後讓這束伽瑪光子和另一束伽瑪光子相遇，它們就會發生碰撞，產生電子，介子，W和Z玻色子還有希格斯玻色子等一系列粒子。

2018年8月30日至31日召開的香山科學會議上，中科院高能所的科學家呼籲在中國搶先建設這種全新的光子對撞機。與爭議巨大的CEPC（大型環形粒子對撞機）不同，這種伽馬光子對撞機的規模要小得多。根據研究小組的設計方案，建設世界首台低能伽馬光子對撞機，占地僅500平方米，建造成本預計只有1億到2億元，3到5年便能建設完成。

本科普號接下來的文章會介紹量子論預言的其他反直覺現象及量子論在現實生活中的具體應用，歡迎關注、收藏、點贊、評論。