O que acontece se dois fotões colidirem? Por exemplo, no CERN, fazem-se colidir partículas subatómicas a velocidades próximas da velocidade luz. No entanto existe tanta luz à nossa volta pelo que penso que não deverá ser impossível ocorrer a colisão de fotões... A colisão de dois fotões por si só não se pode dar (porque os fotões não têm qualquer tipo de carga para que se produza a interação). Podemos no entanto ter "colisões" de fotões envolvendo outras partículas pelo meio.

De acordo com o Princípio da Incerteza de Heisenberg não podemos conhecer com exactidão o valor do campo (gravítico, electromagnético...) num determinado ponto do espaço. Essa incerteza pode ser interpretada na forma de flutuações quânticas do campo. Uma flutuação consiste num par partícula-antipartícula (por exemplo electrão-positrão, ...) que se separa por breves instantes, voltando depois a juntar-se e a desaparecer. Em cada par uma das componentes tem energia +E e outra energia -E de tal forma que a energia total é zero. Este processo, que está a acontecer constantemente em todos os pontos do espaço, é extremamente rápido pelo que não é perceptível aos nossos olhos. Por isso as partículas envolvidas dizem-se partículas virtuais.

No entanto se, no momento em que se forma um par virtual electrão-positrão dois fotões, com energia E cada qual, interagirem com esse par de partículas então podem conseguir separar as mesmas num electrão de energia E e num positrão de energia E que deixam assim de ser virtuais e passam a ser reais. Numa perspectiva mais clássica podemos dizer que da colisão dos dois fotões obtivemos duas partículas.

Mas, para que isto aconteça os fotões têm de ter energia igual ou superior à das particulas que vão separar. No nosso exemplo são necessários fotões de raios gama. Para produzir partículas com massa superior à do electrão são necessários fotões gama ainda mais energéticos.

Nota: uma outra aplicação destas ideias prende-se com a evaporação de buracos negros. What happens if two photons collide? For example, at CERN, they make subatomic particles collide at speeds close to the speed of light. However, so much light exists around us that it should not be impossible for a collision between two photons to occur. The collision of two photons by itself cannot happen, because photons do not have any kind of charge for the interaction to occur. We can however have "collisions" of photons involving other particles in the middle.

According to Heisenberg's Uncertainty Principle, we cannot know exactly the value of the field (gravitational, electromagnetic, etc.) at a given point in space. This uncertainty can be interpreted in the form of quantum field fluctuations. A fluctuation consists of a particle-antiparticle pair (electron-positron, for example), that separates for a short while, then comes together again and disappears. In each pair, one of the components has energy +E and the other energy -E such that the total energy is zero. This process, which is happening constantly at all points in space, is extremely fast, so it is not noticeable to our eyes. Therefore, the particles involved are called virtual particles.

However, if, at the moment when a virtual electron-positron pair is formed, two photons, each with energy E, interact with that pair of particles, then they can manage to separate them into an electron of energy E and a positron of energy E, and they will cease being virtual, to become real. In a more classical perspective, we can say that, from the collision of the two photons, we obtained two particles.

But, for this to happen, the photons must have energy equal to or greater than that of the particles they are going to separate. In our example, gamma-ray photons are needed. To produce particles with a mass greater than that of an electron, even more energetic gamma photons are needed.

Note: another application of these ideas concerns the evaporation of black holes.