Два фотона могут аннигилировать друг друга в вакууме, превращаясь в пару электрон-позитрон или исчезая без следа.

Два фотона действительно могут взаимодействовать и превращаться в пару электрон-позитрон, однако прямое столкновение в вакууме требует соблюдения законов сохранения энергии и импульса. Классическая электромагнитная теория предсказывала невозможность прямой аннигиляции двух фотонов, но квантовая электродинамика, развитая в 1940–1950-х годах благодаря работам Ричарда Фейнмана, Джулиана Швингера и Син-Итиро Томонаги, показала, что такие процессы допустимы через виртуальные промежуточные состояния. Фейнман разработал диаграммы, которые позволили визуализировать и вычислять вероятности таких взаимодействий. Практически аннигиляция фотонов наблюдается в процессе парообразования (pair production), когда один фотон высокой энергии, обычно гамма-квант, в близости атомного ядра преобразуется в электрон и позитрон. Обратный процесс — аннигиляция электрон-позитронной пары в два фотона — хорошо изучен и используется в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), диагностической методике в медицине. При встрече электрона и позитрона они испускают два гамма-кванта, которые детектируются и создают трёхмерное изображение внутренних органов. Теоретический интерес к взаимодействию фотонов связан с изучением нелинейной квантовой электродинамики. Прямое рассеяние фотона на фотоне (фотон-фотонное рассеяние) — редкое явление с чрезвычайно малым сечением взаимодействия, что сделало его экспериментальное наблюдение очень сложным.