Życie fotonu • Igor Iwanow • Problemy naukowo-popularne na "elementach" • Fizyka

Żywotność fotonu

Ryc. 1. Czy foton może rozpadać się? Teoretycznie tak, jeśli ma niezerową, nawet niewielką masę, a cząsteczki są lżejsze od niej.

Jednym z głównych zadań fizyki eksperymentalnej jest testowanie założeń teoretyków na temat funkcjonowania i funkcjonowania naszego świata. Test ten dotyczy nie tylko hipotetycznych teorii i kontrowersyjnych założeń, ale także najbardziej pozornie "zbrojonych" stwierdzeń. Niech wyglądają całkowicie nieuniknione dla teoretyków; Zadaniem eksperymentatora jest upewnienie się, że to stwierdzenie nie jest sprzeczne z doświadczeniem, z wykorzystaniem całego zestawu narzędzi nowoczesnej nauki.

Weźmy na przykład fotony – kwanty pola elektromagnetycznego. We współczesnej fizyce uważa się, że fotony są bezmasowe i że nie mają ładunku elektrycznego. Dla przytłaczającej większości teoretyków nie może być inaczej, bo przecież jasne jest, gdzie we współczesnej fizyce elektromagnetyzm jest brany, a tam właściwości fotonów są automatycznie uzyskiwane właśnie w ten sposób. Ponadto nawet niewielkie odchylenie masy lub ładunku fotonu od zera doprowadzi do dość niezwykłych efektów, których nie obserwujemy w eksperymencie.Dlatego, jeśli foton ma niezerową masę lub ładunek, to muszą one być zupełnie nieistotne. Ale jakie są górne granice tych ilości? Na to pytanie musi odpowiedzieć fizyka eksperymentalna (wraz z obserwacjami astrofizycznymi, które odgrywają tutaj główną rolę). Pomijając szczegóły, wskazujemy tylko, że obecny stan tej analizy znajduje odzwierciedlenie na stronie Particle Data Group z właściwościami fotonu.

Co zaskakujące, ta strona nie zawiera innej ważnej wartości – żywotność fotonu. W końcu, jeśli foton może mieć niezerową masę, nawet jeśli jest bardzo mały, może rozpaść się na jeszcze lżejsze cząstki, powiedzmy parę neutrin, jeśli najlżejsze neutrina są bezmasowe. Oznacza to, że foton stanie się niestabilną cząstką, a każda niestabilna cząstka charakteryzuje się średnim czasem życia.

Aby uniknąć nieporozumień, natychmiast podkreślamy dwie rzeczy. Po pierwsze, chodzi o czas życia przed spontanicznym rozpadem darmowy foton w próżni. W normalnych warunkach fotony mogą żyć bardzo krótko – od momentu emisji do momentu wchłonięcia. Ale to nie dotyczy właściwości samego fotonu, to tylko te ograniczone warunki zewnętrzne,który umieścił foton. Interesuje nas "osobiste" życie fotonu jako pojedynczej, niewchłoniętej cząstki.

Po drugie, uzgodnimy terminologię. Charakterystyka numeryczna "czas życia" wyraża czas trwania cząstki w systemie odpoczynku. W innym układzie odniesienia, w którym cząstka porusza się z relatywistyczną prędkością, czas do rozpadu wzrasta z powodu efektu dylatacji czasowej – jednego z podstawowych efektów teorii względności. Powiedzmy, że kiedy mion ma czas życia wynoszący 2 mikrosekundy, oznacza to mion spoczynkowy; Miony o wysokiej energii żyją dużo dłużej i dlatego miony tworzące się gdzieś w górnej atmosferze docierają do powierzchni Ziemi.

Załóżmy więc, że fotony nie są bezmasowe, ale mają masę równą górnej granicy dozwolonej na dziś, zgodnie z Particle Data Group. Teraz, jeśli spojrzymy na obecnie znane dane astrofizyczne, możemy znaleźć "najstarsze światło" – czyli fotony, które latały do ​​nas najdłużej, a jednak się nie rozpadły. Spróbuj znaleźć te dane sam.

Zadanie

Na podstawie powyższych wskazówek, stawkajakie może być życie fotonów takiej masy.


Wskazówka 1

Najstarszym światłem jest promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przed wszystkimi innymi rodzajami promieniowania, które możemy zaobserwować. W przybliżeniu wiadomo, jak długo fotony latały tym światłem, ich energia jest dobrze znana i to wystarczy, aby znaleźć pożądane życie.


Wskazówka 2

Najstarszym światłem jest mikrofalowe promieniowanie tła. W ciągu ostatnich dziesięcioleci kilka specjalnych satelitów – RELICT-1, COBE, WMAP, Planck – przeprowadziło dokładne pomiary tego promieniowania i sporządziło szczegółowe mapy tego promieniowania. To promieniowanie leży w pewnym zakresie długości fal, co oznacza, że ​​jego fotony mają energię w pewnym zakresie.

Po tym, pozostaje zrozumieć, ile razy ta energia jest większa niż szacowana masa fotonu i jak relatywistyczne rozszerzenie czasu zależy od energii cząstek.


Rozwiązanie

Charakterystykę CMB można łatwo znaleźć w sieci (zobacz na przykład Wikipedia, artykuł o Astronecie, notatkę o WMAP, astropart dnia o wynikach Plancka, informacje z plakatu na temat promieniowania EM). Promieniowanie reliktowe jest "migawką wszechświata", kiedy było tylko 380 tysięcy.lat po Wielkim Wybuchu, który jest znacznie mniejszy niż obecny wiek Wszechświata (13,8 miliarda lat). Dlatego "wiek" tego światła może być równy wiekowi Wszechświata, czyli około 1010 lat (w celu oszacowania wielkości można pominąć liczbowe współczynniki rzędu 2).

Dla tych 1010 lat światło nie tylko wcale się nie rozpadło, ale nawet nie zaczęło się rozpadać. Rzeczywiście, satelity WMAP i Planck nie tylko widziały mikrofalowe promieniowanie tła, ale mierzyły je z dokładnością do 10-4i to z taką dokładnością, że jego złożone spektrum jest całkowicie zgodne z nowoczesnymi modelami kosmologicznymi. Dlatego możemy bezpiecznie założyć, że żywotność reliktowych fotonów mikrofalowych jest co najmniej o 4 rzędy wielkości większa od tej wartości, to jest nie mniej niż 1014 lat

Jego aktualna temperatura wynosi w przybliżeniu 2,7 Kelvina, co odpowiada energii jednego fotonu około 0,23 MeV (Millielectronvolt). Oczywiście, wcześniej temperatura była wyższa – gdy Wszechświat się rozszerza, to promieniowanie ochładza się. Dla przybliżonego oszacowania możemy przyjąć, że średnia temperatura dla całego czasu wynosiła około 1 meV. Jeśli hipotetyczna masa (a raczej energia resztkowa mc2a) foton równy 10-18 eV, a następnie parametr relatywistyczny γ = E / mc2 ≈ 1015.

Od czasu istnienia niestabilnej cząstki relatywistycznej t = γt0, gdzie t0 i jest pożądanym właściwym czasem życia cząsteczki, dochodzimy do wyniku: foton z taką masą musi mieć żywotność t0 więcej niż jeden miesiąc.


Posłowie

Proponowane tutaj zadanie zostało najwyraźniej najpierw szczegółowo przeanalizowane w artykule opublikowanym w czasopiśmie Physical Review Letters kilka dni temu (How Stable is the Photon? // Phys.Rev.Lett. 111, 021801 (2013); Pełny tekst jest dostępny w archiwum archX (arXiv: 1304.2821). Dokładniejsze obliczenia wykazały, że zamiast 1 miesiąca limit można zwiększyć do 3 lat, a także dodatkowo do niezależnego limitu masy fotonu. Na rys. 2 pokazuje końcowy rezultat tego artykułu – obszar wykluczonych i dopuszczalnych mas i wartości czasu życia w skali logarytmicznej.

Ryc. 2 Obszary wykluczonych i rozdzielonych wartości masy i kombinacji masy podzielonej na podstawie czasu życia, w skali logarytmicznej. Wielkość t0 tutaj jest wiek wszechświata. Obraz z artykułu arXiv: 1304.2821

Być może otrzymana odpowiedź może na początku zaskoczyć: jak to jest, ponieważ wiemy na pewno, że promieniowanie EM żyje znacznie dłużej! Ale nie zapominajcie, że wszystkie rodzaje promieniowania, które wykryliśmy do tej pory, nawet fale radiowe o niskiej częstotliwości,mają energię fotonów o kilka rzędów wielkości większą niż jej hipotetyczna masa. Aby takie fotony stały się nierelatywistyczne, konieczne jest zmniejszenie tej energii do 10-18 eV, co odpowiada fali EM o czasie kwadransa i długości fali wynoszącej jedną trzecią miliarda kilometrów. Teraz, jeśli uda nam się zarejestrować fale elektromagnetyczne tego typu i zagwarantujemy, że przyjdą do nas nie z okolic Układu Słonecznego, a nawet z najbliższych gwiazd, ale z głębokiej przestrzeni, wtedy to oszacowanie może zostać znacząco poprawione.

Kolejna ważna kwestia: warto pamiętać, że szacunki te odnoszą się do wybranej masy 10-18 eV. Jeśli weźmiesz jeszcze mniejszą masę, to γczynnik będzie jeszcze większy, co oznacza, że ​​dolna granica czasu życia fotonu zmniejszy się. Na przykład o wadze 10-26 Wartość eV własnego czasu życia fotonu może na ogół wynosić 1 sekundę i nie będzie to sprzeczne z żadnymi danymi eksperymentalnymi! To prawda, że ​​w tym przypadku pojawiają się czysto teoretyczne trudności: "szerokość" fotonu jako rezonansu staje się znacznie większa niż jego masa, dlatego wszystkie fotony, nawet emitowane na krawędzi wszechświata, będą musiały być uważane za wirtualne, a nie rzeczywiste cząstki. Ale eksperymentatorzy zwykle nie przejmują się takimi szczegółami.

W rzeczywistości, w naszej decyzji zamknęliśmy oczy na wiele subtelnych efektów, które zostały omówione w artykule w Phys. Rev. Lett. Na przykład obecność masy w fotonach może prowadzić do odmiennego prawa chłodzenia gazu fotonowego w rozszerzającym się Wszechświecie. To prawda, że ​​wynikające z tego ograniczenia masy (są widoczne na ryc. 2) okazały się znacznie słabsze niż te, które już istniały. Innym efektem jest to, że gdy światło nie leci w próżni, ale w gazie lub plazmie, przestaje być wolnym fotonem i uzyskuje pewną efektywną masę. Kosmiczna plazma, oczywiście, jest bardzo rzadka, więc masa okaże się skąpa, ale jest prawdopodobne, że może okazać się czymś więcej niż wartość, której użyliśmy. Dokładna analiza nie została jeszcze przeprowadzona, a jeśli okaże się, że tak jest, wówczas ocena będzie musiała zostać zmieniona.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: