光波是否有相互作用
在日常生活中，我们发现光这种
电磁波似乎总是独立传播的，不同波长的光互不影响，例如太阳光照射到地球是白色的，但仍然能分解出红橙黄绿青蓝紫等不同波长的光，同样的这些不同波长的光混合在一起，也能成为白光。
光的色散
光的叠加
这样的现象被称为光的独立传播和叠加原理，这当然是把光看作是波得出的结论，C.惠更斯就曾利用光的这种现象来否定光的微粒说。
不过后来人们发现这一原理虽然在真空中总是成立，但当光在介质中传播时，若光波强度超过某一限度（例如激光），独立传播原理和叠加原理就不再成立了，这种现象是一种非线性效应，即非线性光学。在非线性介质中传播的光波之间会产生互相作用，可以有和频效应、倍频效应和差频效应等等。举个例子就是光纤通信中需要避免出现的四波混频现象，另外这也是产生高能激光的重要方法。
非线性介质倍频效应
小结一下就是光作为波，它在介质中传播时也会发生相互作用，也可以理解为光波的碰撞。
光子是否有相互作用
但今天我们的标题是光子与光子之间到底会不会碰撞，也就是根据波粒二象性，当我们把光看做粒子时，光子与光子之间会不会有相互作用。按照我们的常识，点亮两支手电交叉，两列光线会穿过彼此然后分别驶向远方。除了在两列光线的交叉处亮了一些外，好像并没有什么了不得的事情发生。
手电筒...
在量子场论、粒子物理中，光子是玻色子而且不带电，所以它们之间不能直接发生相互作用，但是在高能情况下光子之间可以先与带电虚粒子耦合从而发生间接的相互作用（这里的高能指光子的能量，根据光量子能量公式E=(hc/λ)，光的波长越小光子能量越大）。
这种相互作用可以有很多很多种，我们举以下两种简单作用为例，并画出作用的费曼图（费曼图是美国著名物理学家的理查德▪费曼，继薛定谔波动方程和海森堡矩阵方程后提出的第三种量子力学的形式，是方便地处理量子场中各种粒子相互作用的图。）
费曼图
一、光子光子散射
这是最类似标题中理解的那种宏观物体弹性碰撞的作用，这种作用叫光子光子散射。其中较简单的情况用费曼图表示如下：
光子光子散射
波浪线代表光子，实线代表电子与正电子。在这个过程中，
左边的两个光子通过中间的虚电子发生相互作用，生成了右边的两个光子，就像两个小球对撞弹开了一样。从图中可以看到这个过程是四阶的，除非光子的能量极高，否则发生的概率是非常非常小的（这就解释了我们日常生活为什么观察不到光子间的碰撞）。
那么上述过程有没有实验证据呢，是有的：
2017年8月16日《Nature Physics》期刊发表了欧洲粒子物理研究所(CERN) ATLAS 实验的物理学家报告观察到高能双光子散射的首个直接证据。
二、光子光子生成正反物质对
除了标题中提到的光子“碰撞”相互作用外，在满足能量守恒情况下，光子光子相互作用还可以产生正反物质对。这种过程用费曼图表示如下：
光子光子生成正反电子对
同样的波浪线代表光子，实线代表正反费米子（例如大家最熟悉的正电子与电子）。在这个过程中，左边的两个光子通过中间的虚粒子发生相互作用，生成了右边的正反费米子。
上面的图只有两个顶点，发生的概率比第一张图要高，但这个过程却有能量阈值（能量需要守恒）。
举质量极低的正反电子对为例，就算生成的正反电子对刚好是静止的（也就是说光子对湮灭后能量刚好转为电子静质量能量形式），通过质能方程和光量子波长公式带入电子的静质量可以计算出此时所需的光子波长约为：
这属于高能伽马射线，但遗憾的是据我所知目前人类能制备的最高能激光的波长为0.15nm，与上面计算出的那个波长仍有一个数量级的差距，所以目前实验室中肯定还无法验证这个过程（虽然强子对撞机中可以产生很高能的光子，但无法集束）。但至少理论中是可行的。
伽马射线
顺着思路继续推导，如果能不断提高光子能量，理论上可以产生出更重的粒子。如果光子能量极高，大量的这种高能光子光子过程会产生出成千上万的各种不同的物质，而在各种力的作用下，这些物质膨胀凝聚，形成宏观可见的物体。上面这段话是不是有点眼熟？没错，像极了宇宙大爆炸。
不远将来的光子对撞机
各国筹划中的光子对撞机就是利用这种光子光子生成正反物质的相互作用来制造的高能加速器，可以用来产生例如希格斯粒子等，而且比起电子对撞机其生成希子的过程更为直接、需要的能量也更低。目前的高能粒子对撞机只有电子、质子和重离子等带电粒子加速器（因为带电粒子才易于加速与集束），但光子对撞机可以通过改造正负电子对撞机来实现，原理是逆康普顿效应：在正负电子对撞机中把电子加速到极高的能量，然后向电子发射一束较低能的激光，这束激光和高能电子束迎面发生碰撞，这样我们就可以获得能量极高的伽玛光子束，然后让这束伽玛光子和另一束伽玛光子相遇，它们就会发生碰撞，产生电子，介子，W和Z玻色子还有希格斯玻色子等一系列粒子。
光子对撞机
2018年8月30日至31日召开的香山科学会议上，中科院高能所的科学家呼吁在中国抢先建设这种全新的光子对撞机。与争议巨大的CEPC（大型环形粒子对撞机）不同，这种伽马光子对撞机的规模要小得多。根据研究小组的设计方案，建设世界首台低能伽马光子对撞机，占地仅500平方米，建造成本预计只有1亿到2亿元，3到5年便能建设完成。
本科普号接下来的文章会介绍量子论预言的其他反直觉现象及量子论在现实生活中的具体应用，欢迎关注、收藏、点赞、评论。
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