Через всю вселенную - каково время жизни фотона?
Across the universe - what is the lifetime of a photon?
Каково время жизни фотона?
Фотон - квант света или, иначе говоря, электромагнитного излучения - обычно считается, имеет нулевую массу. Но некоторые теории позволяют фотонам иметь небольшую массу покоя и одно из следствий этого, что фотоны смогли бы распадаться тогда на более легкие элементарные частицы. Если такой распад возможен, то каковы ограничения на время жизни фотона? Этот вопрос задал себе один физик из Германии и подсчитал, что нижний предел для времени жизни фотона составляет три года в системе отсчета фотона. Это означает примерно один миллиард миллиардов (10
18
) лет в нашей системе отсчета.
Вопрос о массе
Идея, что фотоны имеют ограниченный срок жизни, и, следовательно, массу, довольно странная идея. Действительно, астрономы наблюдают удаленные космические объекты и регулярно обнаруживают фотоны, которым миллиарды лет. Но некоторые теории предполагают, что фотоны могут иметь ненулевую массу покоя, хотя и небольшой, но все же существует верхний предел для массы фотона - это величина порядка 10
-18
эВ или 10
-54
кг, полученная благодаря экспериментам с электрическими и магнитными полями. Но и с этой малой массы, фотон может распадаться на другие более легкие элементарные частицы, такие как пара самых легких нейтрино и антинейтрино, или даже на частицы, которые в настоящее время неизвестны и находятся за пределами
Стандартной модели физики элементарных частиц
.
Недавно, Джулиан Хик (Julian Heeck) из Института ядерной физики Макса Планка Гейдельберге, Германия, воспользовался космологическими наблюдениями для обнаружения признаков распада фотона (
Phys. Rev. Lett.
111
021801
)). Он исследовал
космическое микроволновое излучение (CMB, реликтовое излучение)
, остаток Большого взрыва, который возник, когда Вселенная была очень молода - всего около 380 000 лет.
Свечение фона
До этого времени, вещество и излучение были неразрывно связаны. Но, как только Вселенная прошла период чрезвычайно быстрого роста, известный как «инфляция» и расширилась, горячая плазмы из электронов и легких ядер достаточно остыла, чтобы стало возможным формирование нейтральных атомов. Эта «развязка» вещества и излучения сразу позволила фотонам свободно передвигаться по всей вселенной. Со временем, их длины волн увеличивались с расширением Вселенной, чтобы оставить слабое свечение излучения в микроволновой области спектра - излучение форме, черным телом тепловой энергии - в каждом направлении, что мы можем обнаружить сегодня.
Более 100 экспериментов изучали реликтовое излучение, с тех пор как оно было впервые обнаружен, в том числе, от НАСА спутники
Cosmic Background Explorer (COBE)
,
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)
и совсем недавно от Европейского космического агентства спутник
Планк
, все из которых провели более точные измерения этого излучения. Фактически, спектр реликтового излучения являет собой наиболее точно измеренный спектр излучения черного тела в природе.
Долгая жизнь
Именно этот спектр использовал Хик в качестве ограничения в своих расчетах - он взял чрезвычайно точные данные результатов
COBE
и сравнил их с рассчитанным спектром, с учетом распада фотона.
Если фотон имеет массу и распадается на более легкие частицы, то плотность числа фотонов в реликтовом излучении должна уменьшаться по мере путешествия фотонов. Но это в свою очередь означает, что спектр реликтового излучения уже не будет соответствовать почти идеальной наблюдаемой тепловой кривой. Хик резонно предположил, что, так как реликтовое излучение является почти излучением абсолютно черного тела, то очень немногие фотоны, если таковые будут вообще, погаснут за 13,8 миллиардов лет существования Вселенной, и поэтому измерения реликтового излучения могут установить ограничение на время жизни фотона.
Используя комбинацию массы и ограничений от реликтового излучения, Хик вычислил, что продолжительность жизни фотона в своей собственной системе покоя должна составить три года. Но так как эти фотоны с крошечной массой путешествуют почти со скоростью света, то необходимо учитывать замедление времени, чтобы получить их время жизни в нашей системе отсчета; для видимого света, как было рассчитано это 10
18
или миллиард миллиардов лет. Уточнить этот предел сейчас очень трудно, пока не будут проведены новые исследования ранней Вселенной.