Fotono gyvenimas • Igoris Ivanovas • Mokslinės-populiarios problemos "Elementai" • Fizika

Fotono gyvenimo trukmė

Pav. 1. Ar gali fotoną pablogėti? Teoriškai, taip, jei ji turi nulinę, net ir mažą masę, ir yra dalelių, lengvesnių už ją.

Vienas iš pagrindinių eksperimentinės fizikos uždavinių yra išbandyti teoretikų prielaidas apie tai, kaip veikia mūsų pasaulis. Ir šis testas susijęs ne tik su hipotetinėmis teorijomis ir prieštaringomis prielaidomis, bet ir labiausiai atrodytų "gelžbetonio" teiginiais. Leisti jiems atrodyti visiškai neišvengiamai teoretikai; Eksperimento užduotis yra užtikrinti, kad šis teiginys neprieštarautų patirčiai, naudojant visas šiuolaikinio mokslo priemones.

Pvz., Fotonai – elektromagnetinio lauko kvantos. Šiuolaikinėje fizikoje manoma, kad fotonai yra bevandeniai ir kad jie neturi elektros krūvio. Daugumai teoretikų dauguma negali būti kitaip, galų gale akivaizdu, kur šiuolaikiniame fizikiniame elektromagnetizmu imamasi, o fotonų savybės automatiškai gaunamos būtent taip. Be to, net nedidelis fotono masės ar įkrovos nukrypimas nuo nulio gali sukelti gana neįprastų pasekmių, kurių mes nematome eksperimente.Todėl, jei fotonas turi nulinę masę ar įkrovą, ji turi būti visiškai nereikšminga. Bet kokios yra šių kiekių viršutinės ribos? Į šį klausimą turi atsakyti eksperimentinė fizika (kartu su astrofiziniais stebėjimais, kurie čia atlieka svarbų vaidmenį). Neįrašydami detalių, mes tik parodome, kad dabartinė šios analizės būklė atsispindi dalelių duomenų grupės puslapyje su fotonų savybėmis.

Keista, šiame puslapyje nėra kitokios svarbios vertės – fotono gyvenimo trukmė. Galų gale, jei fotonui leidžiama turėti ne nulinę masę, net jei ji yra labai maža, ji gali suskaidyti į dar lengvesnes daleles, tarkim, porą neutrinų, jei lengviausi neutrinai be masės. Tai reiškia, kad fotonas taps nestabili dalelė, o kiekviena nestabili dalelė pasižymi vidutiniu gyvenimo trukme.

Siekiant išvengti nesusipratimo, mes iš karto pabrėžiame du dalykus. Pirma, tai yra apie gyvenimo laiką prieš spontanišką žlugimą nemokamas fotonas vakuume. Paprastai fotonai, žinoma, gali gyventi labai trumpam laikui – nuo emisijos momento iki absorbavimo momento. Tačiau tai netaikoma paties fotono savybėms, tik ribotos išorinės sąlygos,kuris padėjo fotoną. Mus domina "fotonų" asmeninė gyvenimo trukmė kaip vieniša, negresintoji dalelė.

Antra, sutarus terminologiją. Skaitmeninė charakteristika "gyvenimo trukmė" reiškia dalelės trukmę poilsio sistemoje. Kitu atskaitos tašku, kuriame dalelė juda reliatyvizuojančiu greičiu, laikas suskaidyti didėja dėl laiko dinamikos poveikio – vieno iš pagrindinių reliatyvumo teorijos pasekmių. Leiskite mums pasakyti, kai sakoma, kad miuonas turi 2 mikrosekundes trukmės gyvavimo laiką, tai yra poilsio miuonas, kuris yra skirtas; didelio energijos miuonai gyvena daug ilgiau, todėl miuonai, sudaryti kažkur viršutinėje atmosferoje, pasiekia Žemės paviršių.

Taigi, tarkime, kad fotonai nėra masės, bet masė lygi viršutinei ribai, kuri šiandien leidžiama pagal Dalelių duomenų grupę. Dabar, jei pažvelgsime į šiuo metu žinomus astrofizinius duomenis, galime rasti "seniausią šviesą" – tai yra fotonai, kurie skraidino į mus ilgiausiai ir vis dėlto nesutrūko. Stenkitės patys rasti šiuos duomenis.

Užduotis

Remiantis pirmiau pateiktais patarimais, normakas galėtų būti tokios masės fotonų gyvenimas.


1 patarimas

Seniausia šviesa yra elektromagnetinė spinduliuotė, išsiskirianti prieš visus kitus radiacijos tipus, kuriuos galime stebėti. Yra maždaug žinoma, kiek laiko fotonai skraido šia šviesa, jų energija yra gerai žinoma, ir to pakanka norint rasti norimą gyvenimą.


2 patarimas

Seniausia šviesa yra mikrobangų foninė spinduliuotė. Per pastaruosius dešimtmečius keletas specialių palydovų – RELICT-1, COBE, WMAP, Planck – atliko išsamius šios spinduliuotės matavimus ir pateikė išsamius žemėlapius. Ši spinduliuotė yra tam tikro bangos ilgio diapazone, o tai reiškia, kad jo fotonai turi tam tikrą energiją.

Po to lieka suprasti, kiek kartų ši energija yra daugiau nei apskaičiuota fotonų masė ir kaip reliatyvistinis laiko išsiplėtimas priklauso nuo dalelių energijos.


Sprendimas

CMB charakteristikos yra lengvai rasti tinkle (žr., Pavyzdžiui, Wikipedia, straipsnį apie Astronet, pastabą apie WMAP, dienos planą apie Plancko rezultatus, informaciją iš plakato apie EM spinduliavimą). Relicinė spinduliuotė yra "visatos fotografija", kai buvo tik 380 tūkstančių.metų po Didžiojo sprogimo, kuris yra daug mažesnis už dabartinį Visatos amžių (13,8 milijardo metų). Todėl šios šviesos "amžius" gali būti lygus Visatos amžiui, ty maždaug 1010 metai (pagal dydžio apskaičiavimus, skaitinių koeficientų 2 tvarka gali būti ignoruojami).

Dėl šių 1010 metų šviesa ne tik nesutrūko, bet netgi net pradėjo skilti. Tiesą sakant, WMAP ir "Planck" palydovai ne tik pamatė mikrobangų foninę spinduliuotę, bet ir išmatavo 10-4ir tokiu tikslumu, kad jo sudėtingas spektras visiškai sutampa su šiuolaikiniais kosmologiniais modeliais. Todėl galime drąsiai manyti, kad reliktinių mikrobangų fotonų gyvenimo trukmė yra bent 4 laipsniais didesnė už šią vertę, ty ne mažiau kaip 1014 metai

Dabartinė temperatūra yra maždaug 2,7 Kelvino, kuris atitinka vieno fotono, maždaug 0,23 meV (milijelektronvoltas) energiją. Žinoma, anksčiau ši temperatūra buvo aukštesnė – kaip visata plinta, ši spinduliuotė atvėsta. Apytikriai apskaičiuojant, mes galime manyti, kad vidutinė temperatūra visu laiku buvo apie 1 meV. Jei hipotetinė masė (tiksliau sakant, likusi energija mc2a) fotonas, lygus 10-18 eV, tada reliatyvistinis parametras γ = E / mc2 ≈ 1015.

Kadangi nestabilios relativistinės dalelės gyvenimo laikas yra t = γt0, kur t0 ir yra pageidaujamas tinkamas dalelių gyvenimas, mes pasiekiame rezultatą: fotonas su tokia masė turi turėti visą gyvenimą t0 daugiau nei vieną mėnesį.


Po žodžio

Čia siūloma užduotis buvo iš pradžių išsamiai išnagrinėta žurnale paskelbtuose straipsniuose Fizinės peržiūros raidės prieš kelias dienas (Kaip stabilus yra fotonas? // Phys.Rev.Lett. 111, 021801 (2013); Visas tekstas yra archX archyve (arXiv: 1304.2821). Tikslesni skaičiavimai parodė, kad vietoj vieno mėnesio riba gali būti padidinta iki 3 metų, be to, be papildomo nepriklausomo fotonų masės ribos. Pav. 2 parodyta šio straipsnio galutinis rezultatas – išskirtos ir leidžiamos masės ir eksploatacijos verčių logaritminiu mastu plotas.

Pav. 2 Išskirtų ir išspręstų masės ir masės derinių, padalintų iš visos gyvenimo trukmės, sritys, logaritminiu mastu. Dydis t0 čia yra visatos amžius. Vaizdas iš straipsnio arXiv: 1304.2821

Galbūt gautas atsakymas iš pradžių gali nustebinti: kaip tai yra, nes mes tikrai žinome, kad EM spinduliai gyvena daug ilgiau! Tačiau nepamirškite, kad iki šiol aptiktos visos radiacijos rūšys, netgi žemos dažnio radijo bangos,fotono energija yra keletą kartų didesnė nei jo hipotetinė masė. Kad tokie fotonai taptų nereriebtiški, būtina šią energiją sumažinti iki 10-18 eV, kuris atitinka EM bangą su ketvirčio valandos trukme ir vieno trečdalio milijardo kilometrų bangos ilgiu. Dabar, jei sugebėsime užregistruoti tokio pobūdžio EM bangas ir garantuoti, kad ateis pas mus ne iš Saulės sistemos ar net iš artimiausių žvaigždžių, o iš gilios erdvės, tai šis įvertinimas gali būti gerokai patobulintas.

Kitas svarbus dalykas: verta prisiminti, kad šis vertinimas yra susijęs su pasirinkta masė 10-18 eV Jei vartojate dar mažesnę masę, tuomet γkoeficientas bus dar didesnis, o tai reiškia, kad apatinė fotonų naudojimo trukmė sumažės. Pavyzdžiui, kai svoris yra 10-26 Paprastai fotonų gyvavimo trukmė gali būti 1 sekundė, o tai neprieštarauja jokiems eksperimentiniams duomenims! Tiesa, šiuo atveju atsiranda grynai teoriniai sunkumai: fotono plotis kaip rezonuoja tampa daug didesnis nei jo masė, todėl visi fotonai, netgi išsiskleidę visatos krašte, turės būti laikomi virtualiais, o ne tikrais dalelėmis. Tačiau eksperimentuotojai paprastai nerūpi tokios detalės.

Tiesą sakant, mūsų sprendime mes uždarėme akis į daugybę subtilių efektų, kurie buvo aptariami straipsnyje Fiz. Rev. Lett. Pavyzdžiui, masės buvimas fotonuose gali lemti skirtingą fotoninių dujų aušinimo visatoje plečiant. Tiesa, gaunami masės apribojimai (jie matomi 2 pav.) Pasirodė esą kur kas silpnesni nei tie, kurie jau egzistavo. Kitas veiksnys yra tas, kad kai šviesa neslidina vakuume, o dujose ar plazmoje, ji nebegali būti laisva fotona ir įgyti tam tikrą veiksmingą masę. Žinoma, kosminė plazma yra labai ribota, taigi masė pasirodys menka, tačiau tikėtina, kad ji gali pasirodyti didesnė už tą vertę, kurią mes naudojome. Tiksli analizė dar nebuvo atlikta, ir jei tai pasirodytų esant tokiu atveju, vertinimas turės būti peržiūrėtas.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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