Fotona dzīves • Igors Ivanovs • Zinātniski populāras problēmas "Elementiem" • Fizika

Fotonu kalpošanas laiks

Zīm. 1 Vai fotonu sabrukums? Teorētiski, jā, ja tam ir nulles, pat mazas, masas, un daļiņas ir vieglākas par to.

Viens no eksperimentālās fizikas galvenajiem uzdevumiem ir pārbaudīt teorētiķu pieņēmumus par to, kā mūsu pasaule strādā un darbojas. Un šis pārbaudījums attiecas ne tikai uz hipotētiskām teorijām un pretrunīgiem pieņēmumiem, bet arī šķietami "dzelzsbetona" paziņojumiem. Ļaujiet viņiem pilnīgi neizbēgama teorētiķiem; Eksperimenta uzdevums ir pārliecināties, ka šis apgalvojums nav pretrunā ar pieredzi, izmantojot visu mūsdienu zinātniskās izpētes rīku kopumu.

Veikt, piemēram, elektromagnētiskā lauka fotonus – kvantu. Mūsdienu fizikā tiek uzskatīts, ka fotoni ir masveidīgi un ka tiem nav elektriskā lādiņa. Lielākajai daļai teorētiķu vairs nevar būt citādi, galu galā ir skaidrs, kur mūsdienu fizikā tiek uztverts elektromagnētisms, un fotonu īpašības tiek iegūtas automātiski tādā pašā veidā. Turklāt, pat neliela fotonu masas vai uzlādes no nulles novirze no nulles novedīs pie diezgan neparastas sekas, ko mēs neesam novērojuši eksperimentā.Tāpēc, ja fotonam ir nulles masa vai lādiņš, tad tam jābūt pilnīgi nenozīmīgam. Bet kādas ir šo daudzumu maksimālās robežas? Uz šo jautājumu jāatbild ar eksperimentālo fiziku (kopā ar astrofiziskajiem novērojumiem, kuriem šeit ir liela nozīme). Neizpildot informāciju, mēs norādām tikai to, ka šīs analīzes pašreizējais stāvoklis ir atspoguļots daļiņu datu grupas lapā ar fotonu īpašībām.

Pārsteidzoši, šī lapa nesatur citu svarīgu vērtību – fotonu kalpošanas laiks. Galu galā, ja fotonam ir atļauta masa, kas nav nulle, pat tad, ja tā ir niecīga, tad tā var sadalīties vēl vieglākajās daļiņās, teiksim pāris neitrīnus, ja visvieglākie neitrīniņi ir bezmasi. Tas nozīmē, ka fotons kļūs par nestabilu daļiņu, un katrai nestabilai daļai raksturīgs vidējais kalpošanas laiks.

Lai izvairītos no pārpratumiem, mēs uzreiz uzsveram divas lietas. Pirmkārt, tas ir par dzīves laiku pirms spontānā sabrukšanas bezmaksas fotonu vakuumā. Parastos apstākļos fotoni, protams, var dzīvot ļoti īsā laikā – no emisijas brīža līdz absorbcijas brīdim. Bet tas neattiecas uz fotonu īpašībām, tikai tie ierobežotie ārējie apstākļi,kas ievietoja fotonu. Mēs esam ieinteresēti fotonu kā patstāvīgas, nepiesātinātas daļiņas "personīgās" dzīves laikā.

Otrkārt, mēs vienosimies par terminoloģiju. Ciparu raksturojums "mūža ilgums" izsaka daļiņas ilgumu pārējā sistēmā. Citā atskaites sistēmā, kurā daļiņu kustība notiek relatīvi ātri, laiks, līdz kuram paātrināties, palielinās, pateicoties laika paātrināšanai, kas ir viens no relativitātes teorijas pamatelementiem. Ļaujiet mums teikt, ka, teikt, ka munam dzīves laiks ir 2 mikrosekundes, tas ir atpūtas mūons, kas ir domāts; augsta enerģijas mijoni dzīvo daudz ilgāk, un tādēļ mūoni, kas veido kaut kur augšējo atmosfēru, nonāk Zemes virsmā.

Tātad, pieņemsim, ka fotoni nav massless, bet masa ir vienāda ar augšējo robežu, kas šodien atļauta saskaņā ar Daļiņu datu grupu. Tagad, aplūkojot pašlaik zināmos astrofiziskos datus, mēs varam atrast "vissenāko gaismu" – tas ir, fotoni, kas lidoja uz mums visilgāk un tomēr nesadalījās. Mēģiniet atrast šos datus pats.

Uzdevums

Pamatojoties uz iepriekš minētajiem padomiem, likmekāda varētu būt šādas masas fotonu mūžs.


1. padoms

Senākā gaisma ir elektromagnētiskais starojums, ko emitē pirms visiem citiem starojuma veidiem, kurus mēs varam novērot. Aptuveni zināms, cik ilgi šie gaismas nokļūst fotoni, to enerģija ir labi pazīstama, un tas ir pietiekami, lai atrastu vēlamo kalpošanas laiku.


2. padoms

Vecākā gaisma ir mikroviļņu fona starojums. Pēdējo desmitgažu laikā vairāki īpaši satelīti – RELICT-1, COBE, WMAP, Planck – ir rūpīgi mērījuši šo starojumu un izstrādājuši detalizētas kartes par to. Šis starojums atrodas noteiktā viļņu garuma diapazonā, kas nozīmē, ka tā fotoniem ir enerģija noteiktā diapazonā.

Pēc tam vēl ir jāsaprot, cik daudz reižu šī enerģija ir lielāka par aprēķināto fotonu masu un kā relativistiskais laiks ir atkarīgs no daļiņu enerģijas.


Šķīdums

KMB īpašības ir viegli atrodamas tīklā (sk., Piemēram, Wikipedia, raksts par Astronet, piezīme par WMAP, astoņu dienu diena par Planka rezultātiem, informācija no plakāta par EM starojumu). Relic radiācija ir "momentuzņēmums no Visuma", kad tas bija tikai 380 tūkstoši.gadu pēc Lielā sprādziena, kas ir daudz mazāks nekā tagadnes Visuma gads (13,8 miljardi gadu). Tāpēc šīs gaismas "vecumu" var uzskatīt par vienādu ar Visuma vecumu, tas ir, aptuveni 1010 gadi (pēc lieluma aprēķiniem var neņemt vērā 2. kārtas skaitliskos koeficientus).

Par šīm 1010 gadi gaisma ne tikai nesadalījās vispār, bet pat nepasliktinājās. Patiešām, WMAP un Planck satelīti ne tikai redzēja mikroviļņu fona starojumu, viņi mēra to ar precizitāti 10-4un ar tik precizitāti, ka tā kompleksais spektrs pilnībā atbilst moderniem kosmoloģiskajiem modeļiem. Tāpēc mēs varam droši pieņemt, ka reliktālas mikroviļņu fotonu mūža ilgums ir vismaz četras reizes lielāks par šo vērtību, tas ir, ne mazāk kā 1014 gadiem

Tās pašreizējā temperatūra ir aptuveni 2.7 Kelvins, kas atbilst viena fotona enerģijai aptuveni 0,23 meV (millielectronvolt). Protams, agrāk šī temperatūra bija augstāka – kā Universe paplašinās, šis starojums atdziest. Rupjo novērtējumu varam pieņemt, ka visu laiku vidējā temperatūra bija aptuveni 1 meV. Ja hipotētiska masa (vai drīzāk, pārējā enerģija mc2a) fotons, kas iegūts vienāds ar 10-18 eV, tad relatīvistiskais parametrs γ = E / mc2 ≈ 1015.

Tā kā nestabila relativistiskā daļiņa ir mūžs t = γt0, kur t0 un ir vēlamais pareizais daļiņas dzīves laiks, mēs nonākam pie rezultāta: fotonam ar šādu masu jābūt mūžam t0 vairāk nekā viens mēnesis.


Pēcvārds

Šeit piedāvātā problēma vispirms tika vispirms analizēta žurnālā publicētajā rakstā Fiziskās apskates vēstules pirms dažām dienām (cik stabils ir fotons? Phys.Rev.Lett. 111, 021801 (2013); Pilns teksts ir pieejams ArchX arhīvā (arXiv: 1304.2821). Precīzāks aprēķins parādīja, ka 1 mēneša vietā ierobežojumu var palielināt līdz 3 gadiem, kā arī papildus neatkarīgam fotonu masas ierobežojumam. Attēlā 2 parāda šā raksta galīgo rezultātu – izslēgto un atļauto masas un kalpošanas vērtību logaritmiskā mērogā.

Zīm. 2 Izslēgtās un atrisinātās masas un masas kombinācijas vērtības, kas dalītas ar mūža ilgumu, pēc logaritmiskās skalas. Lielums t0 šeit ir visuma vecums. Attēls no raksta arXiv: 1304.2821

Iespējams, saņemtā atbilde vispirms var pārsteigt: kā tas notiek, jo mēs esam pārliecināti, ka EM starojums dzīvo daudz ilgāk! Bet neaizmirstiet, ka visi līdz šim atklātie radiācijas veidi, arī zemfrekvences radioviļņi,fotonu enerģija ir vairākas reizes lielāka par tās hipotētisko masu. Lai šie fotoni kļūtu nereelestivisti, nepieciešams samazināt šo enerģiju līdz 10-18 eV, kas atbilst EM viļņam ar ceturtdaļas stundas periodu un viļņa garumu vienam trešajam miljardam kilometru. Tagad, ja mums izdosies reģistrēt šāda veida EM viļņus un garantēt, ka mēs nonāksim pie mums ne no Saules sistēmas tuvuma, ne pat no tuvākajām zvaigznēm, bet no dziļas vietas, tad šo aplēsi var ievērojami uzlabot.

Vēl viens svarīgs jautājums: ir vērts atcerēties, ka šis aprēķins attiecas uz atlasīto masu 10-18 eV Ja jūs ņemat vēl mazāku masu, tad γkoeficients būs vēl lielāks, kas nozīmē, ka apakšējā robeža fotonu kalpošanas laikā samazināsies. Piemēram, ar svaru 10-26 Fotona pašmāra dzīves eV parasti var būt 1 sekunde, un tas nebūs pretrunā ar jebkādiem eksperimentāliem datiem! Taisnība, šajā gadījumā rodas tīri teorētiskas grūtības: fotona kā rezonanses platums kļūst daudz lielāks par tā masu, tāpēc visi fotoni, kas emitēti Visuma malā, būs jāuzskata par virtuālām, nevis īstām daļiņām. Bet eksperimentētāji parasti neuztraucas ar šādām detaļām.

Faktiski mūsu lēmumā mēs slēdzām acis uz daudziem smalkiem efektiem, kas tika apspriesti rakstā Fiz. Rev. Lett. Piemēram, masas klātbūtne fotonās var radīt atšķirīgu fotonu gāzes dzesēšanas likumu paplašinātajā Visumā. Patiesi, iegūtie masas ierobežojumi (tie ir redzami 2. attēlā) izrādījās daudz vājāki nekā tie, kas jau pastāvēja. Vēl viens fakts ir tāds, ka tad, kad gaisma neplūst vakuumā, bet gan gāzē vai plazmā, tas vairs nav brīvs fotons un iegūst noteiktu efektīvu masu. Cosmic plazma, protams, ir ļoti atšķaidīta, tāpēc masa izrādīsies niecīga, bet visticamāk, ka tā var izrādīties lielāka nekā vērtība, ko izmantojām. Precīza analīze vēl nav veikta, un, ja tas izrādās, tad novērtējums būs jāpārskata.


Like this post? Please share to your friends:
Atbildēt

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