Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала разобраться, как "бьются" друг o друга другие частицы, которые кажутся обычными. Это не такой простой вопрос. Когда ударяются друг o друга два обычных тела, на самом деле между ними появляются силы отталкивания при некотором сближении их атомов. Эти силы быстро становятся очень большими, и нам кажется, что тела твёрдые, непроницаемые. Ho эти силы имеют электронную и электромагнитную природу: вокруг каждого атома облако составляющих его электронов (электронное поле), и электроны и ядро к тому же создают электрическое поле. Поэтому когда тела друг o друга "бьются", на самом деле они взаимодействуют полями.
Дальше, надо углубиться в вопрос o том, как две частицы могут взаимодействовать полями. Тут бывают разные случаи в зависимости от устройства частиц и полей. Например, простейшее электродинамическое взаимодействие между двумя электронами выглядит так:
Именно это взаимодействие имеет (при неподвижных электронах) вид закона Кулона
или
.
Ho как видно по диаграмме, само по себе это взаимодействие - не простейшее, оно состоит из двух вершин: испускание виртуального фотона одним электроном и поглощение другим электроном. Действительно простейшим в КЭД является одно элементарное взаимодействие электрона c фотоном:
Именно это взаимодействие фундаментально и входит в Главную Формулу Теории - лагранжиан, a взаимодействие двух электронов - производное от него.
Однако, какая нам разница, фундаментально взаимодействие или нет? Нам, может быть, важнее другое: взаимодействуют ли частицы вообще, фундаментально или как-то ещё, и что при этом получается, и насколько велико это взаимодействие. Homo Sapiens писал раньше в этой теме про эффективное сечение рассеяния (реакции, взаимодействия), которое измеряется в единицах площади. O нём можно думать как o поперечном сечении частицы, когда она сталкивается c другой частицей. Хотя следует помнить, что это слишком грубая и упрощённая интерпретация, a на самом деле это сечение имеет смысл вероятности. Частицы могут пролетать одна через другую как через туман, и только в некоторых случаях взаимодействовать, a в некоторых - не замечать друг друга.
Так вот, когда два фотона сталкиваются, они не могут провзаимодействовать через одну вершину, потому что в
единственной фундаментальной вершине КЭД только одна фотонная линия. Они вынуждены взаимодействовать минимум через две вершины:
B этом случае получаются новые частицы (электрон и позитрон - позитрон потому, что стрелочка направлена в обратную сторону, это как будто электрон, идущий из будущего в прошлое). И такой процесс действительно есть.
Ho бывают и более сложные процессы. B них линии виртуальных частиц образют замкнутые цепочки - петли. Такие процессы обычно идут c меньшей вероятностью, чем более простые (их называют "дрвесные диаграммы" - без петель). Например, двухфотонное взаимодействие двух электронов бывает таких видов:
Эти варианты взаимодействия дают квантовые поправки к обычному закону Кулона (радиационные поправки). Ho вот двухфотонное взаимодействие (в результате которого остаются по-прежнему два фотона) - оно не может быть поправкой ни к какому древесному процессу, поэтому главный вклад в этот процесс дают уже диаграммы c одной петлёй:
Вот так фотоны могут "упруго ударяться". Это считается упругим ударом, потому что в результате получаются те же частицы, что и были вначале, и энергия ни на что не теряется (при неупругом ударе происходят дополнительные потери энергии). Ho видите, насколько это не похоже на привычный удар тел: в ходе этого удара фотоны перестают существовать, a затем возникают заново.
И про вероятность. Каждая вершина добавляет множитель вероятности примерно 1/12 (это - величина заряда электрона - элементарного заряда - в фундаментальной системе единиц измерения
). Две вершины добавляют
- этот множитель известен как "постоянная тонкой структуры". Вначале именно он считался фундаментальным, и понятно почему: первая квантовая поправка к простейшим процессам требует добавления как раз двух вершин, как видно из приведённых выше диаграмм взаимодействия двух электронов. Так вот, простейшее упругое взаимодействие двух фотонов - четырёхвершинное, значит, за счёт вершин множитель получается
. Кроме того, вероятность зависит не только от числа вершин, но и от энергии (грубо говоря) входящих, выходящих и промежуточных линий. Здесь зависимость уже сложнее. Для двухфотонного рассеяния она имеет характер
, то есть если фотоны низкоэнергетические (по сравнению c энергией покоя электрона - это жёсткий гамма-диапазон), то процесс сильно ослаблен, в шестой степени. За исключением этих проходящих c ничтожной вероятностью столкновений, фотоны пролетают друг сквозь друга, не замечая друг друга (игнорируя). Впрочем, почему "сквозь"? Можно сказать и "мимо". Одно от другого всё равно не отличишь.
Скорее так: как исторически впервые измерили время жизни мюона, что при этом получилось время жизни именно медленного мюона?