A foton élete • Igor Ivanov • Tudományos-népszerű problémák a "Elemeken" • Fizika

Photon élettartama

Ábra. 1. Lehet-e foton bomlása? Elméletileg igen, ha nem nulla, még akkor is, ha kicsi, tömeg, és részecskék is könnyebbek, mint amennyire.

A kísérleti fizika egyik fő feladata, hogy tesztelje a teoretikusok feltételezéseit arról, hogyan működik és működik világunk. Ráadásul ez a teszt nemcsak hipotetikus elméletekre és ellentmondásos feltevésekre vonatkozik, hanem a leginkább "megerősített" állításokra is. Hadd nézzék teljesen elkerülhetetlen a teoretikusok; A kísérletező feladata, hogy megbizonyosodjon arról, hogy ez a kijelentés nem ellentmond a tapasztalatnak, a modern tudomány eszköztárának felhasználásával.

Vegyük például az elektromágneses mező fotonjait. A modern fizikában úgy gondolják, hogy a fotonok tömegtelenek és nincsenek elektromos töltésük. A teoretikusok túlnyomó többsége számára ez nem lehet másképpen, végül is világos, hogy hol van a modern fizika elektromágnesessége, és ott automatikusan megvan a foton tulajdonságai pontosan. Ezenkívül a foton tömegétől vagy töltésétől való kis eltérés a nulla értékből meglehetősen szokatlan hatásokhoz vezet, amelyeket a kísérletben nem figyeltünk meg.Ezért, ha egy foton nem nulla tömeggel vagy töltéssel rendelkezik, akkor teljesen elhanyagolhatónak kell lennie. De melyek ezek a mennyiségek felső határai? Ezt a kérdést a kísérleti fizikával kell megválaszolni (az asztrofizikai megfigyelések mellett, amelyek itt fontos szerepet játszanak). A részleteket elhagyva, csak azt jelezzük, hogy az elemzés jelenlegi állapota a részecskék adatcsoport oldalán tükröződik a foton tulajdonságaival.

Meglepő módon ez az oldal nem tartalmaz más fontos értéket – foton élettartama. Végül is, ha egy foton megengedett egy nem nulla tömegű, még akkor is, ha nagyon kicsi, akkor még enyhébb részecskékre bomlik, mondjuk néhány neutrínót, ha a legkisebb neutrínók tömegtelenek. Ez azt jelenti, hogy a foton instabil részecskékké válik, és minden instabil részecskét az átlagos élettartam jellemez.

A félreértések elkerülése érdekében azonnal két dolgot hangsúlyozzunk. Először is, az élet időjáról szól, mielőtt a spontán pusztulás szabad foton vákuumban. Normális körülmények között a fotonok természetesen nagyon rövid ideig élhetnek – a kibocsátás pillanatától a felszívódás pillanatáig. De ez nem vonatkozik a foton tulajdonságaira, csak ezek a korlátozott külső feltételek,amely a fotont helyezte el. Érdeklik a foton "személyes" élettartama, mint egy magányos, nem abszorbeált részecske.

Másodszor, egyetértünk a terminológiával kapcsolatban. A "élettartam" számszerűsíti a részecske időtartamát a többi rendszerben. Egy másik vonatkozási keretben, amelyben a részecskék relativisztikus sebességgel mozognak, a bomlás ideje növekszik az időeltolódás hatása – a relativitáselmélet egyik alapvető hatása miatt. Mondjuk, amikor azt mondják, hogy egy muonának 2 perces időtartamú élettartama van, ez a pihenő muon jelenti; a nagy energiájú muonok sokkal hosszabb ideig élnek, és ezért a felső légkörben valódi muonok eljutnak a Föld felszínéhez.

Tehát feltételezzük, hogy a fotonok nem masszívak, de a részecskék adatcsoportja szerint a mai határértéknek megfelelő tömeggel rendelkeznek. Most, ha megnézzük a jelenleg ismert asztrofizikai adatokat, megtalálhatjuk a "legősibb fényt" – vagyis a fotonok, amelyek a leghosszabbra repültek, és mégsem szétesettek. Próbálja megtalálni ezeket az adatokat.

feladat

A fenti ötletek alapján, szavazásmi lehet az ilyen tömeg fotonjainak élettartama.


Tipp 1

A legősibb fény az elektromágneses sugárzás, amelyet minden egyéb sugárzás előtt megfigyelhetünk. Körülbelül ismert, hogy a fotonok mennyi ideig fújták el ezt a fényt, energiájuk jól ismert, és ez elég ahhoz, hogy megtalálja a kívánt élettartamot.


2. tipp

A legrégebbi fény a mikrohullámú háttérsugárzás. Az elmúlt évtizedekben számos különleges műhold – a RELICT-1, a COBE, a WMAP, a Planck – alapos méréseket végeztett e sugárzásról és részletes térképeket készített. Ez a sugárzás egy bizonyos hullámhossz-tartományban rejlik, ami azt jelenti, hogy a fotonjai bizonyos tartományban energiával rendelkeznek.

Ezt követően meg kell értenie, hogy hányszor ez az energia több, mint a becsült foton tömeg, és hogy a relativisztikus időbeli dilatáció hogyan függ a részecske energiájától.


döntés

A CMB jellemzői könnyen megtalálhatók a hálózatban (lásd például a Wikipédiát, egy cikket az Astronet-ről, a WMAP-ról szóló megjegyzést, a Planck-eredményekről szóló napilapot, az EM sugárzásról szóló plakátról származó információkat). A relikviális sugárzás a világegyetem "pillanatképe", amikor csak 380 ezer volt.évvel az ősrobbanás után, ami jóval kisebb, mint a világegyetem jelenlegi korszaka (13,8 milliárd év). Ezért e fény "kora" egyenlő lehet az Univerzum életkorával, vagyis körülbelül 10 évvel10 évek (a nagyságrendi becslések szerint a 2. sorszámú koefficiensek elhanyagolhatók).

Ezekre a 1010 évek alatt a fény nemcsak egyáltalán nem szétesett, hanem még csak nem is kezdett szétesni. Valójában a WMAP és a Planck műholdak nem csak látták a mikrohullámú háttérsugárzást, 10 pontossággal mérték-4és olyan pontossággal rendelkezik, hogy komplex spektruma teljes mértékben egyetért a modern kozmológiai modellekkel. Ezért biztonságosan feltételezhetjük, hogy a relikviális mikrohullámú fotonok élettartama legalább négy nagyságrenddel nagyobb, mint ez az érték, azaz legalább 1014 év.

Jelenlegi hőmérséklete körülbelül 2,7 Kelvin, ami egy foton energiájának felel meg, amely körülbelül 0,23 meV (millielektronvolt). Természetesen korábban magasabb volt ez a hőmérséklet – ahogy a Világegyetem kibővül, ez a sugárzás hűvösebb. Egy durva becslés szerint feltételezhetjük, hogy az átlagos hőmérséklet minden időben körülbelül 1 meV volt. Ha egy hipotetikus tömeg (vagy inkább a többi energia mc2a) a foton 10 – es értéket vesz fel-18 eV, majd a relativisztikus paraméter γ = E / mc2 ≈ 1015.

Az instabil relativisztikus részecske élettartama óta t = γt0, ahol t0 és a részecske kívánt élettartama, akkor az eredményhez jutunk: egy ilyen tömegű fotonnak rendelkeznie kell egy élettartammal t0 több mint egy hónap.


utószó

Az itt javasolt feladatot nyilvánvalóan részletesen elemezték a folyóiratban megjelent cikkben Fizikai felülvizsgálati levelek csak néhány nappal ezelőtt (mennyire stabil a foton? // Phys.Rev.Lett. 111, 021801 (2013); A teljes szöveg az archX archívumban érhető el (arXiv: 1304.2821). Egy pontosabb számítás azt mutatta, hogy 1 hónap helyett a határérték 3 évre emelkedhet, és a foton tömegének független korlátja mellett is vezethet. Ábrán. A 2. ábra mutatja a cikk végeredményét – a kizárt és engedélyezett tömeg és élettartam értékek logaritmikus skálán.

Ábra. 2. A tömeg kizárható és elhatárolt értékei és tömegmegosztás területei élettartammal osztva, logaritmikus skálán. érték t0 itt van az univerzum kora. Kép a cikk arXiv: 1304.2821

Talán a kapott válasz meglepetést okozhat: hogyan van, mert biztosak vagyunk abban, hogy az EM sugárzás sokkal hosszabb ideig él? De ne felejtsük el, hogy az általunk felderített összes sugárzás, még az alacsony frekvenciájú rádióhullámok,egy fotonenergia több nagyságrenddel nagyobb, mint a hipotetikus tömege. Annak érdekében, hogy az ilyen fotonok nem-relativisztikusak legyenek, szükséges ezt az energiát 10-re csökkenteni-18 eV, amely megfelel az EM hullámnak negyedóránként és egyharmad kilométernyi hullámhosszúsággal. Most, ha képesek vagyunk ilyen típusú EM hullámokat regisztrálni, és garantáltan nem a naprendszer közeléből vagy akár a legközelebbi csillagokból származnak, hanem a mély helyről, akkor ez a becslés jelentősen javítható.

Egy másik fontos szempont: érdemes megjegyezni, hogy ez a becslés a kiválasztott tömegre vonatkozik 10-18 eV. Ha még ennél is kisebb tömegeket szedsz, akkor γa tényező még nagyobb lesz, ami azt jelenti, hogy a foton élettartama alsó határértéke csökkenni fog. Például 10 súlyú-26 A foton saját élettartamának eV-ja általában 1 másodperc, és ez nem mond ellent a kísérleti adatoknak! Igaz, ebben az esetben tisztán elméleti nehézségek merülnek fel: a foton rezonancia "szélessége" sokkal nagyobb lesz, mint a tömege, ezért az összes Universon szélén kibocsátott fotonokat virtuálisnak, nem valódi részecskéknek kell tekinteni. De a kísérletezők általában nem zavarják az ilyen részleteket.

Tény, hogy döntésünkben sok olyan finom hatásra bontottuk a szemünket, amelyekről egy cikk foglalkozott Phys. Rev. Lett. Például a fotonokban lévő tömeg jelenléte a fotongáznak a bővülő Univerzumban való eltérő hűtési törvényéhez vezethet. Igaz, az ebből eredő tömegkorlátozások (amelyek a 2. ábrán láthatóak) sokkal gyengébbek voltak, mint a már létezőek. Egy másik hatás az, hogy ha a fény nem vákuumban repül, hanem gázban vagy plazmában, akkor megszűnik szabad foton, és egy bizonyos hatékony tömeget kap. A kozmikus plazma természetesen nagyon ritka, ezért a tömeg nem elegendő, de valószínűleg több is lehet, mint az általunk használt érték. Pontos elemzést még nem végeztek el, és ha ez a helyzetnek bizonyul, akkor az értékelést felül kell vizsgálni.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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