Et fotons liv • Igor Ivanov • Videnskabeligt populære problemer på "Elements" • Fysik

Photon levetid

Fig. 1. Kan et foton forfald? Teoretisk, ja, hvis det har et ikke-nul, selvom det er små, masse, og der er partikler lettere end det.

En af de eksperimentelle fysiks hovedopgaver er at teste teoretikernes antagelser om, hvordan vores verden fungerer og fungerer. Og denne test vedrører ikke kun hypotetiske teorier og kontroversielle antagelser, men også de mest tilsyneladende "armerede beton" udtalelser. Lad dem se helt uundgåelige for teoretikere; Opgavens opgave er at sørge for, at denne erklæring ikke modsætter sig erfaring, ved at anvende hele moderne videnskabs redskab.

Tag for eksempel fotoner – kvant af det elektromagnetiske felt. I moderne fysik menes det, at fotoner er masseløse, og at de ikke har en elektrisk ladning. For det overvældende flertal af teoretikere kan det ikke være ellers. Det er trods alt klart, hvor i den moderne fysik elektromagnetisme er taget, og der opnås automatisk fotons egenskaber nøjagtigt som det. Endvidere vil selv en lille afvigelse af massen eller ladningen af ​​foton fra nul føre til ganske usædvanlige virkninger, som vi ikke observerer i eksperimentet.Derfor, hvis en foton har en nonzero masse eller ladning, så skal de være helt ubetydelige. Men hvad er de øvre grænser for disse mængder? Dette spørgsmål skal besvares af eksperimentel fysik (sammen med astrofysiske observationer, som spiller en vigtig rolle her). Udeladelse af detaljerne indikerer kun, at den aktuelle tilstand af denne analyse afspejles på partikeldata-gruppens side med egenskaberne af fotonet.

Overraskende nok indeholder denne side ikke en anden vigtig værdi – foton levetid. Hvis en foton har lov til at have en masse, der ikke er nul, selvom den er ubetydelig, så kan den falde ned i endnu lettere partikler, siger et par neutrinoer, hvis de letteste neutriner er masseløse. Det vil sige, at fotonet bliver en ustabil partikel, og hver ustabil partikel er kendetegnet ved dens gennemsnitlige levetid.

For at undgå misforståelse understreger vi straks to ting. Først handler det om livets tid før det spontane forfald af fri foton i et vakuum. Under normale forhold kan fotoner naturligvis leve i meget kort tid – fra øjeblikket til emission til absorptionstidspunktet. Men dette gælder ikke for egenskaberne af selve fotonet, det er bare de begrænsede eksterne forhold,som placerede fotonet. Vi er interesserede i den "personlige" levetid for en foton som en ensom, uabsorberet partikel.

For det andet vil vi blive enige om terminologi. Den numeriske karakteristiske "levetid" udtrykker varigheden af ​​partiklen i resten systemet. I en anden referenceramme, hvor partiklen bevæger sig ved en relativistisk hastighed, forøges tiden til forfald på grund af effekten af ​​tidsudvidelse – en af ​​de grundlæggende virkninger af relativitetsteorien. Lad os sige, når det siges at en muon har en levetid på 2 mikrosekunder, er det en hvilende muon, der menes; høje energimuoner lever meget længere, og derfor er muoner der danner et sted i den øvre atmosfære nå Jordens overflade.

Antag således, at fotoner ikke er masseløse, men har en masse, der svarer til den øvre grænse, der er tilladt i dag i henhold til Particle Data Group. Nu, hvis vi ser på de astrofysiske data, der i øjeblikket er kendt, kan vi finde det "ældste lys" – det vil sige de fotoner, der fløj til os længst og alligevel ikke nedbrydes. Prøv at finde disse data selv.

opgave

Baseret på ovenstående hints, stemmehvad kunne være levetiden af ​​fotoner af en sådan masse.


Tip 1

Det ældste lys er elektromagnetisk stråling udsendt før alle andre typer stråling, som vi kan observere. Det er omtrent kendt, hvor længe fotoner fløj dette lys, deres energi er velkendt, og det er nok til at finde den ønskede levetid.


Tip 2

Det ældste lys er mikrobølge baggrundsstråling. I de seneste årtier har flere specielle satellitter – RELICT-1, COBE, WMAP, Planck – foretaget grundige målinger af denne stråling og lavet detaljerede kort over det. Denne stråling ligger i et bestemt antal bølgelængder, hvilket betyder, at dets fotoner har energi i et bestemt område.

Derefter forbliver det at forstå, hvor mange gange denne energi er mere end den estimerede fotonmasse, og hvordan den relativistiske tidsudvidelse afhænger af partikelenergien.


beslutning

Karakteristika for CMB findes let i netværket (se for eksempel Wikipedia, en artikel om Astronet, en note om WMAP, en astropart af dagen om Planck resultater, information fra en plakat om EM-stråling). Relikstråling er et "øjebliksbillede af universet", da det kun var 380 tusind.år efter Big Bang, som er meget mindre end universets nuværende alder (13,8 milliarder år). Derfor kan "lyset" af dette lys tages i forhold til universets alder, dvs. ca. 1010 år (i størrelsesorden estimater kan numeriske koefficienter i rækkefølge 2 forsømmes).

Til disse 1010 Årene blev lyset ikke kun adskilt fra hinanden, men begyndte ikke engang at opløses. Faktisk så WMAP- og Planck-satellitterne ikke kun mikrobølge baggrundsstrålingen, de målte den med en nøjagtighed på 10-4og det er med sådan nøjagtighed, at dets komplekse spektrum er i fuld overensstemmelse med moderne kosmologiske modeller. Derfor kan vi sikkert gå ud fra, at levetiden for de relikvie mikrobølgefotoner er mindst 4 størrelsesordener større end denne værdi, det vil sige ikke mindre end 1014 år.

Den aktuelle temperatur er ca. 2,7 Kelvin, hvilket svarer til en energi på en foton på ca. 0,23 meV (millielectronvolt). Selvfølgelig tidligere var denne temperatur højere – da universet udvider, køler denne stråling ud. For et groft skøn kan vi antage, at gennemsnits temperaturen for hele tiden var omkring 1 meV. Hvis en hypotetisk masse (eller rettere, resten energi mc2a) foton taget lig med 10-18 eV, så den relativistiske parameter γ = E / mc2 ≈ 1015.

Siden levetiden for en ustabil relativistisk partikel er t = γt0, hvor t0 og er den ønskede rette levetid for partiklen, kommer vi til resultatet: en foton med en sådan masse skal have en levetid t0 mere end en måned.


efterskrift

Den her foreslåede opgave blev tilsyneladende først analyseret i detaljer i en artikel, der blev offentliggjort i tidsskriftet Fysiske Review Letters for et par dage siden (hvor stabil er fotonen? Phys.Rev.Lett. 111, 021801 (2013); Den fulde tekst er tilgængelig i arkivarkivet (arXiv: 1304.2821). En mere præcis beregning viste, at i stedet for 1 måned kan grænsen øges til 3 år og ledes desuden ud over en uafhængig grænse for fotonmassen. I fig. 2 viser det endelige resultat af denne artikel – området for udelukkede og tilladt masse- og levetidsværdier på logaritmisk skala.

Fig. 2. Områder med udelukkede og opløst værdier af masse og kombination af masse divideret med levetid, i logaritmisk skala. værdi t0 her er universets alder. Billede fra artiklen arXiv: 1304.2821

Måske kan det modtagne svar først og fremmest overraske: hvordan er det, fordi vi helt sikkert ved, at EM-stråling lever meget længere! Men glem ikke, at alle typer stråling, som vi har registreret hidtil, selv med lavfrekvente radiobølger,har en foton energi flere størrelsesordener større end dens hypotetiske masse. For at sådanne fotoner skal blive ikke-relativistiske, er det nødvendigt at reducere denne energi til 10-18 eV, hvilket svarer til EM-bølgen med en periode på en kvart time og en bølgelængde på en tredjedel milliard kilometer. Nu, hvis vi klarer at registrere EM-bølger af denne type, og garanteret at komme til os ikke fra nærheden af ​​solsystemet eller endda fra de nærmeste stjerner, men fra det dybe rum, så kan dette skøn forbedres betydeligt.

Et andet vigtigt punkt: Det er værd at huske, at dette skøn vedrører den valgte masse 10-18 eV. Hvis du tager en endnu mindre masse, så γfaktor vil være endnu større, hvilket betyder at den nedre grænse for fotonens levetid vil falde. For eksempel med en vægt på 10-26 EV af fotonets egen levetid kan generelt være 1 sekund, og dette vil ikke modsige nogen eksperimentelle data! Sandt i dette tilfælde opstår rent teoretiske vanskeligheder: Fotons "bredde" som resonans bliver meget større end dens masse, derfor skal alle fotoner, der endda udsendes i universets kant, betragtes som virtuelle, ikke rigtige partikler. Men eksperimenter bryder sig normalt ikke om sådanne detaljer.

Faktisk i vores beslutning lukkede vi øjnene for et stort antal subtile effekter, som blev diskuteret i en artikel i Phys. Rev. Lett. For eksempel kan tilstedeværelsen af ​​masse i fotoner føre til en anden lov til afkøling af fotongassen i det ekspanderende univers. Det er sandt, at de resulterende begrænsninger på masse (de er synlige i figur 2) viste sig at være meget svagere end dem der allerede eksisterede. En anden effekt er, at når lys ikke flyver i et vakuum, men i en gas eller plasma, ophører den at være en fri foton og erhverver en vis effektiv masse. Kosmisk plasma er naturligvis meget sjældent, så massen bliver svag, men det er sandsynligt, at det kan vise sig at være mere end den værdi, vi brugte. En nøjagtig analyse er endnu ikke gennemført, og hvis det viser sig at være tilfældet, skal vurderingen blive revideret.


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