Fotonų susidūrimas • Igoris Ivanovas • Mokslinės-populiarios problemos "Elementai" • Fizika

Fotonų susidūrimas

Pav. 1. Šiuolaikiniai teleskopai leidžia matyti astronominius objektus, esančius milijardais šviesių metų, nuo mūsų. Šio vaizdo viduryje yra vos pastebimos dėmės, esančios tarp dviejų vertikalių linijų (atidarykite nuotrauką pilnai išreikšta!). Tai yra kvazaras, esantis 12,7 milijardo šviesmečių atstumu, kuris atitinka kosmologinį raudonąjį poslinkį z = 6. Fone, kad šviesa iš tokių nutolusių objektų mus pasiekia, gali būti naudojama nustatant fotonų sklaidos skerspjūvį. Vaizdas iš apod.nasa.gov

Populiariosios knygos apie šiuolaikinę fiziką dažnai pabrėžia, kaip artimai tarpusavyje sujungti labai maži ir labai dideli objektai, tai yra mažiausių elementariųjų dalelių savybės ir visos Visatos evoliucija. Dėl šios priežasties astronominiai stebėjimai ir eksperimentai kolaidžiuose papildo vienas kitą, padeda bendrai atkurti mūsų pasaulio vaizdą. Šioje užduotyje siūloma savarankiškai nustatyti vieną tokį ryšį tarp elementariųjų dalelių savybių ir Visatos savybių didžiausių skalių.

Modernūs teleskopai leidžia mums svarstyti objektus, esančius milijardais šviesmečių, nuo mūsų (Pav.1). Dėl šių pastabų mes galime pažvelgti į laiką, kai visatos amžius buvo tik keli procentai jo dabartinio amžiaus. Tas faktas, kad mes matome tokius nutolusius objektus kaip kompaktiški dėmeliai, reiškia, kad šviesa, kurią jie spinduliuoja, viršijanti pusę visatos per milijardus metų, sugebėjo pasiekti beveik be iškraipymų. Kitaip tariant, pats faktas stebėti šiuos kvazarus reiškia tai Visata yra pakankamai skaidra optiniams fotonams..

Tačiau kelyje į mus šie fotonai neveikia per visiškai tuščią erdvę. Net jei nėra dujų ir dulkių debesų, erdvė užpildyta elektromagnetine spinduliuote. Tai yra žvaigždžių šviesa, karštų dujų šiluminė spinduliuotė ir mikrobangų foninė spinduliuotė, palikta nuo Didžiojo sprogimo eros. Ši spinduliuotė egzistuoja visur, o fotonai sklinda per šią spinduliuotę per visą savo dešimties milijardų metų kelią (2 pav.).

Pav. 2 Iš tolimojo kvazaro išmatuotas fotonas skrenda pro Visatą, užpildytas spinduliuotėmis, ir keliu bando susidurti su daugybe smūgių ir išsisklaidymo ant šių fotonų.

Kvantinės mechanikos kalba spinduliuotė yra fotonų rinkinys.Pasirodo, kad kiekvienas optinis fotonas, pasiekęs mus iš tolimojo kvazaro, yra savaime suprantamas mikroeksperimentas fotonų susidūrimui, kurį mums pateikia pati gamta. Kiekvienas kvazaro išmatuotas optinis fotonas turėjo daug "bandymų" susidurti su vienu iš Visatos užpildančių fotonų. Tikimybė, kad toks bandymas sukels realų fotonų susidūrimą ir išsisklaidymą, yra labai mažas. Dėl kvantinių efektų jis yra nulinis, tačiau vis dar labai mažas. Tas faktas, kad fotonas mus nuvilė, reiškia, kad nė vienas iš šių daugybės bandymų nebuvo sėkmingas. Tai reiškia, kad mes galime nustatyti dviejų fotonų, susiduriančių tarpusavyje, tikimybę.

Fizikoje ši tikimybė išreiškiama sklaidos skerspjūvio forma. Klasikinėje mechanikoje sklaidos skerspjūvis yra skersinė platforma, į kurią reikia atsikratyti, kad atsirastų. Pvz., Kai du kamuoliukai susiduria su tuo pačiu skersmeniu d sklaidos skerspjūvis yra πd2.

Sklaidos skerspjūvio koncepcija gali būti perkelta į elementariųjų dalelių susidūrimus. Tik čia reikia prisiminti, kad dalelės viena kitai yra "permatomos", todėl sklaidos skerspjūvis ne visada būna susijęs su dalelių geometrine dalimi.Pavyzdžiui, kai du aukštos energetiniai protonai susiduria vienas su kitu, sklaidos skerspjūvis maždaug atitinka šią klasikinę formulę:

Tačiau jei neutronas, kurio energija yra 1 MeV, patenka į protoną, tada susidūrimo skerspjūvis yra daug mažesnis:

Štai kodėl neutrinai gali lengvai praeiti pro Žemę: jie yra beveik skaidrūs.

Tas faktas, kad optiniai fotonai iš tolimojo kvazaro pasiekia mus be problemų, reiškia, kad dviejų fotonų sklaidos skerspjūvis σγγ labai mažai. Mes negalėsime gauti tikslios vertės iš šių astronominių stebėjimų, bet mes galėsime nustatyti viršutinę ribą šio skirsnio reikšmei (ty tai yra tik tam tikra vertė).

Užduotis

Įdiekite viršutinė dviejų optinių fotonų susidūrimo skerspjūvio riba, grindžiama tuo, kad mes matome tolimus kvazarus. Pabandykite surasti radiacijos, užpildančios Visatą, savybes internete.


1 patarimas

Paprastoji dydžio sąvoka fotonui netaikoma, ir tai nepadės, nes vienas kito fotonai yra beveik skaidrūs. Todėl mes turime spręsti problemą, kita vertus, naudodami laisvojo kelio ilgį.Tai, kad mes matome tolimus fotonus, reiškia, kad jų laisvas kelias per Visatą, užpildytas spinduliuote, yra mažiausiai 10 milijardų šviesmečių.


2 patarimas

Pažiūrėkite pic vėl. 2. Įsivaizduokite, kad vietoj fotonų kalbame apie molekulių tirpiklius. Tegul bus žinoma molekulių koncentracija ir jų susidūrimo tarpusavio santykis. Nubrėžkite erdvinį regioną, kad viena molekulė "jaustųsi", kai juda, ir surasti kiek įmanoma, kiek ši molekulė gali laisvai skristi prieš susidūrimą su kokia nors kita molekulė.

Gautas santykis tarp koncentracijos, sklaidos skerspjūvio ir laisvojo kelio ilgio dabar gali būti taikomas fotonams.


Sprendimas

Mes pirmiausia išvysime aukščiau aprašytą ryšį. Jei molekulė nusileido tiesia linija Ltada ji "jautė" cilindrinę erdvės dalį kelyje. σL. Jei molekulių koncentracija yra n, tada vidutiniškai šis balionas sumažės nσL molekulės. Ilgis, kai šis skaičius yra maždaug vienodas, yra vidutinis laisvojo kelio ilgis. Taigi, jei žinoma koncentracija ir kelio ilgis, skerspjūvį galima rasti per

Mūsų problema reiškia, kad laisvojo kelio ilgis yra mažiausiai 10 milijardų šviesmečių (1026 m). Dabar reikia apskaičiuoti fotonų koncentraciją Visatoje (optinėje srityje), o ne galaktikoje, bet tarpgalaktinėje erdvėje, nes šviesos iš kvazarių eina pagrindinę savo kelio dalį. Glausčiausiai artėjant tai galima padaryti taip: pažvelkime, kiek fotonų išmeta žvaigždės Visatos gyvenimo metu, ir padalijame šį skaičių pagal matomą Visatos dalį.

Matytoje visatos dalyje – milijardai galaktikų. Kiekvienoje galaktikoje – dešimtys milijardų žvaigždžių. Tipiška žvaigždutė yra šiek tiek mažesnė nei Saulė. Saulė išsiskleidžia apie 4 · 1026 Watt, taigi tipiškos žvaigždės atveju mes vertę keletą kartų mažesni. Pasirodo, kad visų žvaigždžių radiacinė galia matomoje Visatos dalyje yra apie 1046 W.

Optinis fotonas turi apie 1 eV energiją, t. Y. 10-19 J. Taigi visos žvaigždės gamina apie 1065 fotonai per sekundę. Pasirodo, per keletą milijardų metų buvo pagaminta apie 10.82 fotonai. Jei platinate šiuos fotonus visoje matomoje Visatos dalyje, gaunate vidutinę optinių fotonų koncentraciją nγ ≈ 104 vienetai / m3. Iš viso gauname optinių fotonų sklaidos skerspjūvio viršutinę ribą

Žinoma, mes naudojome labai grubius apytikslius įvertinimus, ir jie, be abejo, gali būti patikslinti, todėl atsakymas gali keistis vienu ar dviem laipsniais.


Po žodžio

Vertinimai iš aukščiau yra geri, bet ką čia sako kvantinė elektrodinamika? Jo struktūroje dviejų fotonų sklaidos skerspjūvis gali būti skaičiuojamas gana dideliu tikslumu. Pasirodo, skersmuo stipriai priklauso nuo fotono energijos, o optiniams fotonams – 10-68 m2, tai yra, beveik keturiasdešimt kartų mažiau nei nustatyta mūsų viršutinė riba. Mes nepasiekėme labai naudingo įvertinimo, bet tai buvo ne tiek daug, kiek svarbu, nes tai buvo įmanoma nustatyti ribą.

Įdomu sekti tai, kas atsitinka fotonų energijos didėjimui. Kvantinė elektrodinamika, apskaičiuota fotonų sklaidos skerspjūvyje, smarkiai padidėja. Pavyzdžiui, jei mes nekalbu apie paprastą šviesą, o apie fotonus, kurių energija yra šimtai GeV, kurie susiduria su mikrobangų foninės spinduliuotės fotonais, tada skerspjūvis jau pasiekia 10-34 m2. Mikrobangų fotonų koncentracija visatoje yra gerai išmatuojama: ji yra 410 milijonų vienetų viename kubiniame metre.Jei mes dabar skaičiuojame laisvojo kelio ilgį didelio energijos fotonui, tai bus kelis kartus mažesnis už Visatos dydį. Čia tokių fotonų visata jau tampa nepermatoma!

Ši išvada turi tiesioginių pasekmių stebėjimo didelės energijos astrofizikai. Pasirodo, kad beprasmiška pabandyti sugauti ultragiešų energijų fotonus iš per daug kvazarų ar gama spindulių. Tokie fotonai, net jei jie skleidžiami, vis tiek nebus pasiekiami. Apytikslė neskaidrumo riba fotonams, kurių energija yra nuo 100 GeV ir aukštesnė, parodyta Fig. 3

Pav. 3 Universalų skaidrumo riba fotonams, kurių energija yra 100 GeV ir didesnė, raudonajame poslinkyje nuo nulio iki 0,7. Tamsesni sritis atitinka tokias energijas ir atstumus iki šaltinio, prie kurio fotonai mums nepasiekia. Skirtingos kreivės Atsakyk į įvairių grupių skaičiavimus taškai – Sėkmingai aptikta labai daug energijos gama spindulių iš kelių kvazarų. Vaizdas iš pisgm.ucolick.org

Galima pamatyti tą patį rezultatą iš kito, labiau teigiamo požiūrio. Fotonai su tokia didelė energija gali būti naudojami kaip priemonė studijuoti tarpgalaktinę terpę.Matuojant, kiek daug fotonų pasiekia mus iš astrofizinių šaltinių, esančių žinomuose atstumuose, galima tiesiog pažvelgti į radiacijos koncentraciją tarpgalaktinėje erdvėje! Šios vertės tyrimas (EBL, extragalactic fono šviesos) pastaraisiais metais daug straipsnių.


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