Život fotónu • Igor Ivanov • Vedecko-populárne problémy na "prvkoch" • Fyzika

Fotónová životnosť

Obr. 1. Môže rozklad fotónov? Teoreticky, áno, ak má nenulovú, aj keď malú hmotnosť, a tam sú častice ľahšie ako to.

Jednou z hlavných úloh experimentálnej fyziky je testovanie predpokladov teoretikov o tom, ako náš svet funguje a funguje. A tento test sa týka nielen hypotetických teórií a kontroverzných predpokladov, ale aj najviac zdanlivo "vystužených" vyhlásení. Nech sa vyzerajú úplne nevyhnutné pre teoretikov; Úlohou experimentátora je zabezpečiť, aby toto tvrdenie nebolo v rozpore so skúsenosťami, a to s využitím celého súboru nástrojov modernej vedy.

Vezmite napríklad fotóny – kvantá elektromagnetického poľa. V modernej fyzike sa predpokladá, že fotóny sú bez hromadenia a že nemajú elektrický náboj. Pre drvivú väčšinu teoretikov to nemôže byť inak, koniec koncov je jasné, kde sa v moderných fyzikách uskutočňuje elektromagnetizmus a tam sú vlastnosti fotónov automaticky získané presne takýmto spôsobom. Navyše aj malá odchýlka hmotnosti alebo náboja fotónu od nuly povedie k dosť neobvyklým účinkom, ktoré v experimente nevidíme.Preto, ak fotón má nenulovú hmotu alebo náboj, potom musia byť úplne bezvýznamné. Ale aké sú horné hranice týchto množstiev? Na túto otázku treba odpovedať experimentálnou fyzikou (spolu s astrofyzikálnymi pozorovaniami, ktoré tu hrajú hlavnú úlohu). Ak vynecháme podrobnosti, uvádzame iba to, že aktuálny stav tejto analýzy sa odráža na stránke Skupiny údajov o časticiach s vlastnosťami fotónu.

Prekvapivo táto stránka neobsahuje ďalšiu dôležitú hodnotu – fotónová životnosť, Napokon, ak je fotón povolený mať nenulovú hmotnosť, aj keď je zanedbateľná, potom sa môže rozpadnúť na ešte ľahšie častice, povedzme niekoľko neutrín, ak sú najľahšie neutríny bez hromadenia. To znamená, že fotón sa stane nestabilnou časticou a každá nestabilná častica sa vyznačuje priemernou životnosťou.

Aby sme sa vyhli nedorozumeniam, okamžite zdôrazňujeme dve veci. Po prvé, ide o čas života pred spontánnym rozpadom voľný fotón vo vákuu. Za normálnych podmienok môžu fotóny samozrejme žiť veľmi krátko – od momentu emisie až po moment absorpcie. Ale to sa nevzťahuje na vlastnosti samotného fotónu, to sú len tie obmedzené vonkajšie podmienky,ktorý umiestnil fotón. Máme záujem o "osobnú" životnosť fotónu ako solitárnej, neabsorbovanej častice.

Po druhé, dohodneme sa na terminológii. Číselná charakteristika "životnosť" vyjadruje trvanie častice v systéme zvyšku, V ďalšom referenčnom rámci, v ktorom sa častica pohybuje relativisticky, čas na rozklad sa zvyšuje kvôli efektu časovej dilatácie – jednému zo základných účinkov teórie relativity. Povedzme, že keď sa hovorí, že muón má životnosť 2 mikrosekundy, je to mienný odpočívaci mión; vysokoenergetické muóny žijú oveľa dlhšie, a preto sa muóny, ktoré sa tvoria niekde v hornej atmosfére, dostali na zemský povrch.

Predpokladajme, že fotóny nie sú bez hromadenia, ale majú hmotnosť rovnajúcu sa dnešnej hornej hranici podľa Skupiny údajov o čiastočkách. Teraz, ak sa pozrieme na aktuálne známe astrofyzikálne údaje, môžeme nájsť "najstaršie svetlo" – teda fotóny, ktoré nám letia najdlhšie a ešte sa nerozpadli. Snažte sa tieto údaje nájsť sami.

úloha

Na základe vyššie uvedených odporúčaní, hlasovaniečo by mohlo byť životnosť fotónov takejto hmoty.


Tip 1

Najstaršie svetlo je vyžarované elektromagnetické žiarenie pred všetkými ostatnými druhmi žiarenia, ktoré môžeme pozorovať. Je približne známe, ako dlho fotóny prelievajú toto svetlo, ich energia je dobre známa a to stačí na nájdenie požadovanej životnosti.


Tip 2

Najstarším svetlom je žiarenie mikrovlnného žiarenia. V posledných desaťročiach vykonali dôkladné merania tohto žiarenia niekoľko špeciálnych satelitov – RELICT-1, COBE, WMAP, Planck. Toto žiarenie leží v určitom rozsahu vlnových dĺžok, čo znamená, že jeho fotóny majú energiu v určitom rozsahu.

Potom zostáva pochopiť, koľkokrát je táto energia viac ako odhadovaná fotonová hmotnosť a ako relativistické časové rozšírenie závisí od energie častíc.


rozhodnutie

Vlastnosti CMB sú ľahko nájdené v sieti (pozri napr. Wikipedia, článok o Astronet, poznámka o WMAP, astropart dňa o Planckových výsledkoch, informácie z plagátu o EM žiarení). Relikálne žiarenie je "snímka vesmíru", keď to bolo len 380 tisíc.rokov po Veľkom tresku, čo je oveľa menej ako súčasný vek vesmíru (13,8 miliárd rokov). Preto "vek" tohto svetla môže byť považovaný za rovný veku vesmíru, teda približne 1010 rokov (podľa odhadu veľkosti možno číselné koeficienty poradia 2 zanedbať).

Pre tieto 1010 roky sa svetlo nielen nezlomilo vôbec, ale ani sa nerozpadlo, Samozrejme, satelity WMAP a Planck len nepozorovali mikrovlnné žiarenie na pozadí, merali ho s presnosťou 10-4a to s takou presnosťou, že jeho komplexné spektrum je v úplnej zhode s modernými kozmologickými modelmi. Preto môžeme bezpečne predpokladať, že životnosť reliktných mikrovlnných fotónov je najmenej o 4 rády väčšia ako táto hodnota, to znamená nie menej ako 1014 rokov.

Jeho aktuálna teplota je približne 2,7 Kelvinov, čo zodpovedá energii jedného fotónu približne 0,23 meV (milielectronvolt). Samozrejme, skôr bola táto teplota vyššia – pri rozširovaní vesmíru sa toto žiarenie ochladzuje. Pri hrubom odhade môžeme predpokladať, že priemerná teplota za celý čas bola približne 1 meV. Ak hypotetická hmotnosť (alebo skôr zvyšná energia mc2a) fotón, ktorý sa rovná 10-18 eV, potom relativistický parameter γ = E / mc2 ≈ 1015.

Vzhľadom na to, že životnosť nestabilnej relativistickej častice je T = γT0, kde T0 a je požadovaná správna životnosť častice, príde k výsledku: fotón s takou hmotnosťou musí mať celý život T0 viac ako jeden mesiac.


Doslov

Úloha, ktorú tu navrhujeme, bola zrejme najprv podrobne analyzovaná v článku publikovanom v časopise Physical Review Letters len pred pár dňami (Ako stabilný je fotón? Phys.Rev.Lett. 111, 021801 (2013); Plný text je dostupný v archíne archX (arXiv: 1304.2821). Presnejší výpočet ukázal, že namiesto jedného mesiaca môže byť limit zvýšený na 3 roky a vedie okrem nezávislého obmedzenia fotónovej hmoty. Na obr. Obrázok 2 znázorňuje konečný výsledok tohto článku – oblasť vylúčených a povolených hodnôt hmotnosti a životnosti v logaritmickej mierke.

Obr. 2. Oblasti vylúčených a vyriešených hodnôt hmotnosti a kombinácie hmotnosti rozdelených na životnosť v logaritmickom meradle. hodnota T0 tu je vek vesmíru. Obrázok z článku arXiv: 1304.2821

Možno, že prijatá odpoveď môže najprv prekvapiť: ako to je, pretože vieme isté, že EM žiarenie žije oveľa dlhšie! Nezabúdajte však, že všetky typy žiarenia, ktoré sme doteraz našli, dokonca aj nízkofrekvenčné rádiové vlny,majú fotónovú energiu o niekoľko rádov väčších ako jej hypotetická hmotnosť. Aby sa takéto fotóny stali nerelativistickými, je potrebné túto energiu znížiť na 10-18 eV, čo zodpovedá EM vlne s periódou štvrť hodiny a vlnovou dĺžkou jednej tretiny miliárd kilometrov. Teraz, ak sa nám podarí zaregistrovať EM vlny tohto typu a zaručene prísť k nám nie z blízkosti solárneho systému alebo dokonca z najbližších hviezd, ale z hlbokého vesmíru, potom sa tento odhad dá výrazne zlepšiť.

Ďalším dôležitým bodom: stojí za zmienku, že tento odhad sa týka vybranej hmotnosti 10-18 eV. Ak vezmete ešte menšiu hmotnosť, potom γfaktor bude ešte väčší, čo znamená, že spodná hranica pre životnosť fotónov bude klesať, Napríklad s hmotnosťou 10-26 EV vlastného života fotónu môže byť všeobecne 1 sekundu a to nebude v rozpore s experimentálnymi údajmi! Je pravda, že v tomto prípade vyvstávajú čisto teoretické ťažkosti: "šírka" fotónu ako rezonancia sa stáva oveľa väčšia ako jeho hmotnosť, preto všetky fotóny, dokonca vyžarované na okraji vesmíru, budú musieť byť považované za virtuálne, nie za skutočné častice. Ale experimentátori sa zvyčajne neobťažujú týmito detailmi.

V skutočnosti sme v našom rozhodnutí uzavreli naše oči k veľkému množstvu jemných účinkov, o ktorých sa diskutovalo v článku v Phys. Rev. Lett, Napríklad prítomnosť hmoty vo fotónoch môže viesť k odlišnému zákonu ochladzovania fotónového plynu v rozširujúcom sa vesmíre. Je pravda, že výsledné obmedzenia hmotnosti (viditeľné na obrázku 2) sa ukázali byť omnoho slabšie než tie, ktoré už existovali. Ďalším efektom je to, že keď svetlo nefúka vo vákuu, ale v plyne alebo plazme, prestáva byť voľným fotónom a nadobudne určitú účinnú hmotnosť. Kozmická plazma je samozrejme veľmi ojedinelá, takže hmotnosť sa bude javiť ako málo, ale je pravdepodobné, že sa môže ukázať ako viac ako hodnota, ktorú sme použili. Presná analýza sa ešte neuskutočnila a ak sa to ukáže ako v tomto prípade, hodnotenie bude potrebné revidovať.


Like this post? Please share to your friends:
Pridaj komentár

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