Kolízia fotónov • Igor Ivanov • Vedecko-populárne problémy na "prvkoch" • Fyzika

Fotónová zrážka

Obr. 1. Moderné teleskopy nám umožňujú vidieť astronomické objekty, ktoré sú od nás miliárd svetelných rokov. V strede tohto obrázku je sotva viditeľná škvrna umiestnená medzi dvoma zvislými čiarami (otvorte obrázok v plnom rozlíšení!). Toto je kvazar, ktorý sa nachádza vo vzdialenosti 12,7 miliárd svetelných rokov, čo zodpovedá kozmologickému rušivému posunu z = 6. Skutočnosť, že svetlo z takých vzdialených objektov nás zasahuje, sa môže použiť na určenie priečneho prierezu fotónového rozptylu. Obrázok z apod.nasa.gov

V populárnych vedeckých knihách o modernej fyzike sa často zdôrazňuje, ako sú navzájom prepojené veľmi malé a super veľké objekty, to znamená vlastnosti najmenších elementárnych častíc a vývoj celého vesmíru. Z tohto dôvodu sa astronomické pozorovania a pokusy na zrážkach navzájom dopĺňajú, pomáhajú spoločne obnoviť obraz nášho sveta. V tejto úlohe sa navrhuje nezávisle vytvoriť takéto spojenie medzi vlastnosťami elementárnych častíc a vlastnosťami vesmíru na najväčších stupniciach.

Moderné ďalekohľady nám umožňujú zvážiť objekty, ktoré sú od nás miliardy svetelných rokov (obr.1). Vďaka týmto pozorovaniam sa môžeme pozrieť v čase, keď vek vesmíru bol len niekoľko percent svojho súčasného veku. Skutočnosť, že vidíme také vzdialené objekty ako kompaktné škvrny, znamená, že svetlo, ktoré vyžarovalo, ktoré preletelo cez polovicu vesmíru za miliardy rokov, sa nám podarilo dosiahnuť takmer bez narušenia. Inými slovami, samotná skutočnosť pozorovania týchto kvazarov to znamená Vesmír je dostatočne transparentný pre optické fotóny..

Na ceste k nám sa však tieto fotóny vôbec nepohybujú cez absolútne prázdny priestor. Dokonca aj pri neprítomnosti oblačnosti plynu a prachu je priestor plnený elektromagnetickým žiarením. Toto je svetlo hviezd a tepelné žiarenie horúceho plynu a mikrovlnné žiarenie pozadia, ktoré zostalo od éry Veľkého tresku. Toto žiarenie existuje všade a fotóny prechádzajú týmto žiarením v celej desiatke miliárdročnej trasy (obrázok 2).

Obr. 2. Fotón vysielaný vzdialeným kvazarom preletie cez vesmír, naplnený žiarením, a na svojej ceste prechádza mnohými pokusmi o kolíziu a rozptyl na týchto fotónoch.

Radiačné, v jazyku kvantovej mechaniky, je súbor fotónov.Ukazuje sa, že každý optický fotón, ktorý sa dostal od vzdialeného kvazaru, je druhom superpozretného mikroskopu na kolíziu fotónov, ktorý nám dodá sám príroda. Každý optický fotón vysielaný kvasarom mal mnoho "pokusov" zraziť sa s jedným z fotónov, ktoré naplnili vesmír. Pravdepodobnosť, že takýto pokus povedie k skutočnej kolízii a rozptylu fotónov, je veľmi malý. Vzhľadom na kvantové efekty je nenulový, ale stále veľmi malý. Skutočnosť, že fotón nám letela, znamená, že žiaden z týchto mnohých pokusov nebol úspešný. A to znamená, že môžeme obmedziť pravdepodobnosť, že sa dva fotóny vzájomne zrazia.

Vo fyzike je táto pravdepodobnosť vyjadrená vo forme rozptýleného prierezu. V klasickej mechaniky je rozptýlený prierez priečnou plošinou, do ktorej je potrebné dostať, aby sa vyskytol rozptyl. Napríklad, keď sa dve gule zrazia s rovnakým priemerom d prierez rozptylu je πd2.

Koncept prierezu rozptylu sa môže preniesť na kolízie elementárnych častíc. Iba tu treba pamätať, že častice pre seba sú "priesvitné", a preto prierez na rozptyl nie je vždy vždy spojený s geometrickým rezom častíc.Napríklad, keď sa vzájomne zrazia dva protony s vysokou energiou, rozptýlený prierez zhruba zodpovedá tomuto klasickému vzoru:

Ak však neutrón s energiou 1 MeV dopadá na protón, potom je kolízny prierez oveľa menší:

Preto môžu neutrína ľahko prechádzať cez Zem: pre nich je takmer transparentná.

Skutočnosť, že optické fotóny zo vzdialených kvazarov nás oslovia bez problémov, znamená, že prierez rozptylu dvoch fotónov σγγ veľmi málo. Nemôžeme získať presnú hodnotu z týchto astronomických pozorovaní, ale budeme schopní nastaviť limit zhora na hodnotu tohto prierezu (to znamená, že to nie je viac ako určitá hodnota).

úloha

inštalovať horná hranica prierezu kolízie dvoch optických fotónov, na základe samotnej skutočnosti, že vidíme vzdialené kvasary. Pokúste sa nájsť vlastnosti žiarenia plniaceho vesmír na internete.


Tip 1

Obvyklá koncepcia veľkosti sa nevzťahuje na fotón a nepomôže to, pretože fotóny pre seba sú takmer transparentné. Preto musíme tento problém na druhej strane riešiť pomocou dĺžky voľnej cesty.Skutočnosť, že vidíme vzdialené fotóny, znamená, že ich voľná cesta cez vesmír, naplnená žiarením, je aspoň 10 miliárd svetelných rokov.


Tip 2

Pozrite sa na obrázok znova. 2. Predstavte si, že namiesto fotónov hovoríme o zriedenom plyne molekúl. Nech sú známe koncentrácie molekúl a prierez ich kolízie. Nakreslite priestorovú oblasť, ktorú jedna molekula "cíti", keď sa pohybuje, a nájdite v poriadku, do akej miery táto molekula môže voľne lietať pred zrážkou s inou molekulou.

Výsledný vzťah medzi koncentráciou, prierezom rozptylu a dĺžkou voľnej dráhy možno teraz použiť na fotóny.


rozhodnutie

Najskôr odvodíme vyššie opísané pripojenie. Ak molekula preletela v priamke Lpotom "pocítila" valcovú časť priestoru pozdĺž cesty. σL, Ak je koncentrácia molekúl n, potom tento valec bude v priemere klesať nσL molekuly. Dĺžka, pri ktorej sa toto číslo približne rovná jednej, je priemerná dĺžka voľnej cesty. Takže ak je známa koncentrácia a dĺžka dráhy, priečny prierez možno nájsť

V našom probléme je priemerná voľná cesta najmenej 10 miliárd svetelných rokov (1026 m). Teraz je potrebné odhadnúť koncentráciu fotónov vo vesmíre (v optickom rozmedzí) a nie v galaxii, ale v medzigalaktickom priestore, pretože svetlo z kvazarov prechádza hlavnou časťou jeho cesty. V najtvrdšej aproximácii je možné to urobiť nasledovne: spočítame, koľko fotónov bolo vyžarovaných hviezdami počas života vesmíru a rozdelíme toto číslo o objem viditeľnej časti vesmíru.

Vo viditeľnej časti vesmíru – miliardy galaxií. V každej galaxii – desiatky miliárd hviezd. Typická hviezda je trochu slabšia ako Slnko. Slnko vydáva asi 4 · 1026 Watt, takže pre typickú hviezdu máme hodnotu niekoľkonásobne menšiu. Ukazuje sa, že radiačná sila všetkých hviezd vo viditeľnej časti vesmíru je asi 1046 út

Optický fotón má energiu približne 1 eV, t.j. 10-19 J. Takže všetky hviezdy produkujú okolo 1065 fotóny za sekundu. Ukazuje sa, že za niekoľko miliárd rokov bolo vyrobených približne 10 kusov.82 fotóny. Ak rozdeľujeme tieto fotóny cez celú viditeľnú časť vesmíru, dostaneme priemernú koncentráciu optických fotónov. nγ ≈ 104 kusov / m3, Celkovo dostaneme hornú hranicu rozptýleného prierezu optických fotónov:

Samozrejme, sme použili veľmi hrubé aproximácie odhadov a určite ich možno upraviť, takže sa odpoveď môže zmeniť o jeden alebo dva rády.


Doslov

Pozorovacie odhady z vyššie uvedeného sú dobré, ale čo tu hovorí kvantová elektrodynamika? Vo svojom rámci môže byť rozptylový prierez dvoch fotónov spočítaný s pomerne vysokou presnosťou. Ukazuje sa, že prierez silne závisí od fotónovej energie a pre optické fotóny je rádovo 10-68 m2, čo je takmer štyridsať rádov menších ako horná hranica, ktorú sme nastavili. Nedostali sme veľmi užitočný odhad, ale nebolo to tak veľa dôležitého čísla, ako skutočnosť, že bolo možné získať obmedzenie.

Je zaujímavé sledovať, čo sa stane s rastom fotónovej energie. Prierez rozptylu fotónov vypočítaný v kvantovej elektrodynamike sa prudko zvyšuje. Napríklad, ak nehovoríme o obyčajnom svetle, ale o fotónoch s energiou stoviek GeV, ktoré sa zrazia s fotónmi mikrovlnného žiarenia na pozadí, potom prierez už dosahuje 10-34 m2, Koncentrácia mikrovlnných fotónov vo vesmíre je dobre meraná: je to 410 miliónov jednotiek na kubický meter.Ak teraz spočítame dĺžku voľnej cesty pre vysokoenergetický fotón, potom bude niekoľkonásobne menšia ako veľkosť vesmíru. Tu pre tieto fotóny sa vesmír už stáva nepriehľadným!

Tento záver má priame dôsledky na pozorovanie astrofyziky s vysokou energiou. Ukazuje sa, že je zbytočné pokúšať sa zachytiť fotóny ultra vysokých energií z príliš vzdialených kvazarov alebo gama ramien. Takéto fotóny, aj keď sú emitované, sa nám takýmto spôsobom nedostanú. Približná hranica opacity pre fotóny s energiami od 100 GeV a viac je znázornená na obr. 3.

Obr. 3. Medza transparentnosti vesmíru pre fotóny s energiou 100 GeV a vyššou pri červených posunoch z nuly na 0,7. Stínovaná oblasť zodpovedá takýmto energiám a vzdialenostiam od zdroja, ku ktorému fotóny nedosahujú. Rôzne krivky odpovedať na výpočty rôznych skupín bod – Výsledky úspešnej detekcie gama lúčov ultra vysokej energie z niekoľkých kvasarov. Obrázok z pisgm.ucolick.org

Jeden sa môže pozerať na ten istý výsledok z iného, ​​pozitívnejšieho hľadiska. Fotóny s takou vysokou energiou môžu byť použité ako nástroj na štúdium medzigalaktického média.Meraním toho, koľko fotónov nás dosahuje z astrofyzikálnych zdrojov umiestnených na známych vzdialenostiach, možno doslovne "otestovať" koncentráciu žiarenia v medzigalaktickom priestore! Štúdium tejto hodnoty (EBL, extragalaktické pozadie svetla) venoval veľa článkov v posledných rokoch.


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: :???: :?: :!: