Kollision af fotoner • Igor Ivanov • Videnskabelige-populære problemer på "Elements" • Fysik

Photon kollision

Fig. 1. Moderne teleskoper giver os mulighed for at se astronomiske objekter, der er milliarder af lysår væk fra os. I midten af ​​dette billede er der et næppe mærkbart spejl placeret mellem to vertikale linjer (åben billedet i fuld opløsning!). Dette er en quasar placeret i en afstand på 12,7 milliarder lette år, hvilket svarer til en kosmologisk redshift z = 6. Det faktum, at lys fra sådanne fjerne genstande når os, kan bruges til at bestemme tværsnittet for fotospredning. Billede fra apod.nasa.gov

I de populære videnskabsbøger om moderne fysik understreges det ofte, hvor tæt super-små og super store objekter er forbundet med hinanden, det vil sige egenskaberne af de mindste elementære partikler og udviklingen af ​​hele universet. Af denne grund supplerer astronomiske observationer og eksperimenter på collider hinanden, hjælper til i fællesskab at genskabe billedet af vores verden. I denne opgave foreslås det selvstændigt at etablere en sådan forbindelse mellem egenskaberne af elementære partikler og universets egenskaber på de største skalaer.

Moderne teleskoper giver os mulighed for at overveje objekter, der er billedvis af lysår væk fra os (fig.1). Takket være disse observationer kan vi se på et tidspunkt, hvor universets alder kun var et par procent af dets nuværende alder. Den kendsgerning, at vi ser sådanne fjerntliggende genstande som kompakte spidser, betyder, at det lys, de udstrålede, har fløjet over et halvt univers over milliarder af år, lykkedes os at nå os næsten uden forvrængning. Med andre ord betyder selve faktoren af ​​at observere disse kvasarer det Universet er transparent nok til optiske fotoner..

På vejen til os bevæger disse fotoner dog slet ikke igennem helt tomt rum. Selv i mangel af gas- og støvskyder er rummet fyldt med elektromagnetisk stråling. Dette er stjernens lys, og den termiske stråling af varm gas og mikrobølge baggrundsstråling, der er tilbage fra æra af Big Bang. Denne stråling eksisterer overalt, og fotoner flyver gennem denne stråling gennem deres ti milliarderårige vej (figur 2).

Fig. 2. En foton, der udsendes af en fjern kvasar, flyver gennem universet, fyldt med stråling, og undervejs gennemgår mange forsøg på kollision og spredning på disse fotoner.

Stråling i kvantemekanikernes sprog er et sæt fotoner.Det viser sig, at hvert optisk foton, der har nået os fra et fjernt kvasar, er en slags superlong mikroforsøg på kollision af fotoner, leveret til os af naturen selv. Hvert optisk foton udgivet af en quasar havde mange "forsøg" at kollidere med en af ​​de fotoner, der fyldte universet. Sandsynligheden for, at et sådant forsøg vil føre til en reel kollision og spredning af fotoner, er meget lille. På grund af kvanteffekter er det ikke-nul, men stadig meget lille. Det faktum at fotonet har fløjet til os betyder, at ingen af ​​disse mange forsøg er blevet kronet med succes. Og det betyder, at vi kan få en grænse for sandsynligheden for, at to fotoner kolliderer med hinanden.

I fysik udtrykkes denne sandsynlighed i form af et spredt tværsnit. I klassisk mekanik er spredningstværsnittet den tværgående platform, i hvilken det er nødvendigt at komme for at spredning kan forekomme. For eksempel, når to bolde kolliderer med samme diameter d spredtværsnittet er πd2.

Konceptet for spredningstværsnittet kan overføres til kollisioner af elementære partikler. Kun her skal man huske på, at partikler til hinanden er "gennemskinnelige", og derfor er tværsektionen for spredning ikke altid forbundet med det geometriske afsnit af partikler.For eksempel, når to høj-energi protoner kolliderer med hinanden, svarer spredtværsnittet groft til denne klassiske formel:

Men hvis en neutrino med en energi på 1 MeV er indfaldende på et proton, så er kollisionstværsnittet meget mindre:

Derfor kan neutriner nemt passere gennem Jorden: det er næsten gennemsigtigt for dem.

Det faktum, at optiske fotoner fra fjerne kvasarer når os uden problemer betyder, at tværsnittet af spredning af to fotoner σγγ meget få. Vi kan ikke få den nøjagtige værdi fra disse astronomiske observationer, men vi vil være i stand til at indstille en grænse ovenfra på værdien af ​​dette afsnit (det vil sige det er ikke mere end en bestemt værdi).

opgave

Installer den øvre grænse på tværs af kollisionen af ​​to optiske fotoner, baseret på den blotte kendsgerning, at vi ser fjerne kvasarer. Prøv at finde egenskaberne af strålingen fylder universet alene på nettet.


Tip 1

Det sædvanlige koncept med størrelse gælder ikke for fotonet, og det hjælper ikke, da fotonen for hinanden er næsten gennemsigtige. Derfor må vi nærme sig problemet på den anden side ved at bruge længden af ​​den frie sti.Den kendsgerning, at vi ser fjerne fotoner, betyder, at deres fri vej gennem universet, fyldt med stråling, er mindst 10 milliarder lyse år.


Tip 2

Tag et kig på pic igen. 2. Forestil dig, at i stedet for fotoner taler vi om en sjældne gas af molekyler. Lad koncentrationen af ​​molekyler og tværsnittet af deres kollision med hinanden være kendt. Tegn den rumlige region, at det ene molekyle "føles" som det bevæger sig, og find i størrelsesorden hvor langt dette molekyle kan flyve frit før det kolliderer med et andet molekyle.

Det resulterende forhold mellem koncentration, spredningstværsnit og fri vejlængde kan nu påføres fotoner.


beslutning

Vi henter først forbindelsen beskrevet ovenfor. Hvis molekylet er fløjet i en lige linje Lså "følte hun" en cylindrisk del af rummet undervejs. σL. Hvis koncentrationen af ​​molekyler er n, så vil denne cylinder i gennemsnit falde nσL molekyler. Længden, hvor dette tal er omtrent lig med en, er den gennemsnitlige fri bane længde. Således, hvis koncentrationen og stien længden er kendt, kan tværsnittet findes gennem

I vores problem er den gennemsnitlige fri vej mindst 10 milliarder lette år (1026 m). Nu er det nødvendigt at estimere koncentrationen af ​​fotoner i universet (i det optiske område) og ikke i galaksen, men i det intergalaktiske rum, fordi lyset fra kvaserne passerer hoveddelen af ​​dets vej der. I den groveste tilnærmelse kan dette gøres som følger: lad os tælle, hvor mange foton der blev udgivet af stjerner i universets levetid, og divider dette tal med volumenet af den synlige del af universet.

I den synlige del af universet – milliarder galakser. I hver galakse – titusindvis af stjerner. En typisk stjerne er lidt svagere end solen. Solen udsender ca. 4 · 1026 Watt, så for en typisk stjerne, tager vi en værdi flere gange mindre. Det viser sig, at alle stjernernes strålende kraft i den synlige del af universet er omkring 1046 Tir

Det optiske foton har en energi på ca. 1 eV, dvs. 10-19 J. Så alle stjerner producerer omkring 1065 fotoner per sekund. Det viser sig, at om nogle få milliarder år blev omkring 10 produceret.82 fotoner. Hvis vi distribuerer disse fotoner over hele den synlige del af universet, får vi den gennemsnitlige koncentration af optiske fotoner. nγ ≈ 104 stykker / m3. I alt opnår vi den øvre grænse for spredtværsnit af optiske fotoner:

Selvfølgelig brugte vi meget grove tilnærmelser til estimaterne, og de kan helt sikkert blive raffineret, så svaret kan godt ændre sig med en eller to størrelsesordener.


efterskrift

Observationsoverslag ovenfra er gode, men hvad siger kvantelektrodynamik her? I sin ramme kan tæller tværsnittet af to fotoner tælles med ret høj nøjagtighed. Det viser sig, at tværsnittet stærkt afhænger af fotonenergien, og for optiske fotoner er den af ​​størrelsesordenen 10-68 m2, det vil sige næsten fyrre størrelser mindre end den øvre grænse, som vi har fastsat. Vi fik ikke et meget nyttigt skøn, men det var ikke så meget det nummer, der var vigtigt som det faktum, at det var muligt at få en begrænsning.

Det er interessant at følge, hvad der sker med stigningen i foton energi. Fotonspredningstværsnittet, der beregnes i kvantelektrodynamik, stiger kraftigt. For eksempel, hvis vi ikke taler om almindeligt lys, men om fotoner med en energi på hundreder af GeV, som kolliderer med fotoner af mikrobølge baggrundsstråling, når tværsnittet allerede 10-34 m2. Koncentrationen af ​​mikrobølgefotoner i universet er godt målt: det er 410 millioner enheder pr. Kubikmeter.Hvis vi nu tæller længden af ​​den frie sti til en højenergimonon, vil den være flere gange mindre end universets størrelse. Her for sådanne fotoner bliver universet allerede uigennemsigtigt!

Denne konklusion har direkte konsekvenser for observatorisk høj energi astrofysik. Det viser sig, at det er meningsløst at forsøge at fange fotoner af ultrahøje energier fra for langt kvasarer eller gamma flares. Sådanne fotoner, selvom de udsendes, vil alligevel ikke nå os. Den omtrentlige opacitetsgrænse for fotoner med energier fra 100 GeV og derover er vist i fig. 3.

Fig. 3. Universets gennemsigtighedsgrænse for fotoner med energier på 100 GeV og højere ved redshifts fra nul til 0,7. Skyggefuldt område svarer til sådanne energier og afstande til kilden, hvor fotonerne ikke når os. Forskellige kurver svar på beregningerne af forskellige grupper punkt – Resultaterne af vellykket påvisning af gammastråler med ultrahøj energi fra flere kvasarer. Billede fra pisgm.ucolick.org

Man kan se på det samme resultat fra et andet, mere positivt synspunkt. Fotoner med sådanne høje energier kan anvendes som et redskab til at studere det intergalaktiske medium.Ved at måle, hvor mange fotoner der kommer fra astrofysiske kilder på kendte afstande, kan man bogstaveligt talt "sonde" koncentrationen af ​​stråling i det intergalaktiske rum! Undersøgelsen af ​​denne værdi (EBL, ekstragalaktisk baggrundslys) afsat mange artikler i de seneste år.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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