Фотонды өмір • Игорь Иванов • «Элементтер» бойынша ғылыми-танымал мәселелер • Физика

Фотонды өмір мерзімі

Сурет. 1. Фотонды ыдырауы мүмкін бе? Теориялық тұрғыдан, иә, егер ол нөлге тең емес болса, тіпті кішкене болса, массасы болса да және оның бөлшектерінен жеңілірек болса.

Эксперименттік физиканың негізгі міндеттерінің бірі біздің дүниенің қалай жұмыс істейтіні мен функциялары туралы теоретиктердің болжамдарын сынау. Және бұл тест тек гипотетикалық теориялар мен даулы болжамдарға қатысты емес, сонымен бірге ең көрінетін «темір-бетонды» мәлімдемелерге қатысты. Теористерге мүлдем еріксіз қарау керек; Эксперимент міндеті – бұл мәлімдеме заманауи ғылымның барлық құралдарын пайдалана отырып, тәжірибеге қайшы келмейтініне көз жеткізу.

Мысалы, фотонды – электромагниттік өрістегі квантаны алайық. Қазіргі физикада фотонды массасы жоқ және олардың электр заряды жоқ деп есептеледі. Теористердің басым көпшілігі үшін бұл басқаша болуы мүмкін емес, өйткені қазіргі физикадағы электромагнетизмнің қайда орналасқаны анық, сонда да фотондардың қасиеттері автоматты түрде дәл осындай түрде алынады. Сонымен қатар, фотонды нөлден массаның немесе зарядтың кішкене ауытқуы тіпті экспериментте байқалмайтын ерекше әсерге әкеледі.Сондықтан, егер фотонды нөлдік массасы немесе заряды болса, онда олар мүлдем шамалы болуы керек. Бірақ бұл көлемдердің жоғарғы шегі қандай? Бұл мәселені эксперименталды физика (бұл жерде негізгі рөл ойнайтын астрофизикалық байқаумен бірге) жауап беруі керек. Бөлшектерді жоққа шығару арқылы, біз осы талдаудың қазіргі жай-күйі фотонды қасиеттері бар бөлшектердің Деректер тобы бетінде көрсетілгенін көрсетеміз.

Таң қаларлықтай, бұл бет басқа маңызды құндылыққа ие емес – фотонды пайдалану мерзімі. Өйткені, егер фотонды нөлдік емес массаға ие болса, ол тіпті аз болса да, ол тіпті жеңіл бөлшектерге ыдырауы мүмкін, мысалы, нейтрино екі жұбы, егер жеңіл нейтрино массасы болмаса. Яғни фотонды тұрақсыз бөлшектерге айналады, және әрбір тұрақсыз бөлшектер орташа өмір сүру ұзақтығымен сипатталады.

Түсінбеуден аулақ болу үшін біз екі нәрсені дереу атап кетеміз. Біріншіден, бұл өмірдің өздігінен ыдырауы алдында еркін фотонды вакуумда. Қалыпты жағдайда фотонды, әрине, өте қысқа уақытқа дейін – эмиссиядан бастап сіңіру сәтіне дейін өмір сүре алады. Бірақ бұл фотонның қасиеттеріне қолданылмайды, бұл тек шектеулі сыртқы жағдайлар,фотонды орналастырған. Біз фотонды жеке, өмірбаянынсыз бөлшектер ретінде өмір сүруіне мүдделіміз.

Екіншіден, біз терминологиямен келісеміз. «Өмір бойы» сандық сипаттамасы бөлшектердің ұзақтығын білдіреді қалған жүйеде. Бөлшектің релятивистикалық жылдамдықта қозғалатын тағы бір тірек шеңберінде уақыттың дифференциясының әсері – салыстырмалық теориясының негізгі әсерінің біріне байланысты ыдырау уақыты артады. Айталық, мюонның 2 микросекундтың өмір сүру уақыты бар болғанда, ол демалу мюоны; Жоғары энергиялық мюондар әлдеқайда ұзағырақ өмір сүреді, сондықтан жоғарғы атмосферадағы бірқалыпты мюондар Жер бетіне жетеді.

Мәселен, фотонды массасы жоқ, бірақ Particle Data Group бойынша бүгінгі таңда рұқсат етілген жоғарғы шекараға тең массасы бар делік. Енді астрофизикалық деректерге назар аударсақ, «көне ежелгі жарық», яғни фотонды, бізге ең ұзын, бірақ әлі құлдыраған жоқ. Бұл деректерді өзіңіз табуға тырысыңыз.

Тапсырма

Жоғарыда келтірілген кеңестерге сүйене отырып, ставкасымұндай массаның фотонды өмір сүруі мүмкін.


1-кеңес

Ең ежелгі жарық – біз байқауға болатын барлық басқа сәулелену түрлерінен бұрын шығарылған электромагниттік сәулелену. Фотонды бұл жарықты қанша уақытқа созғаны, олардың қуаты жақсы белгілі болғаны және бұл өмірдің қажетті уақытын табу үшін жеткілікті.


2-кеңес

Ең көне жарық – микротолқынды фондық сәулелену. Соңғы онжылдықта бірнеше арнайы спутниктер – RELICT-1, COBE, WMAP, Planck – бұл радиацияның мұқият өлшеулерін жасап, ондағы егжей-тегжейлі карталарын жасады. Бұл радиация толқын ұзындығының белгілі бір ауқымында жатыр, яғни оның фотондары белгілі бір ауқымда энергияны білдіреді.

Осыдан кейін, бұл энергияның болжанған фотонды массасынан қанша рет болатындығын және релятивисттік уақыттың кеңеюі бөлшектердің энергиясына байланысты екенін түсіну қалады.


Шешім

СМБ-ның сипаттамалары желіде оңай кездеседі (мысалы, Уикипедия, Astronet туралы мақала, WMAP туралы ескертпе, Planck нәтижелері туралы күнделікті астропарт, ЭМ сәулелену туралы постер туралы ақпаратты қараңыз). Реляциялық сәуле – бұл «әлемнің суреті», тек 380 мың адам болған.Үлкен Бэнгтен кейінгі жылдары, Әлемнің қазіргі жасына (13,8 млрд. жыл) қарағанда әлдеқайда аз. Сондықтан бұл жарықтың «жасын» Әлемнің ғасырына тең, яғни 10-ға тең10 жыл (мөлшерлік бағалаулар бойынша тәртіптің сандық коэффициенттері ескерілмеуі мүмкін).

Бұл үшін 1010 жыл жарық мүлдем құлап қана қойған жоқ, бірақ тіпті дезинтеграция жасай бастады. Шынында да, WMAP және Planck спутниктері микротолқынды фон радиациясын ғана көрмеді, олар оны 10 дәлдікпен өлшеді.-4және дәл осындай дәлдікпен оның күрделі спектрі заманауи космологиялық модельдермен толық келісіледі. Сондықтан, қалдық микротолқынды фотондардың өмір сүру ұзақтығы бұл мәннен кем дегенде 4 ретті шам, яғни кемінде 1014 жыл

Оның ағымдағы температурасы шамамен 2,77 Кельвин, бұл шамамен бір фотонды шамамен 0,23 мВ (миллиелектронвольт) энергиясына сәйкес келеді. Әрине, бұрын бұл температура жоғарырақ еді – Әлемнің кеңеюімен, бұл радиация салқын. Ұзақ бағалау үшін барлық уақытта орташа температура шамамен 1 МВ болатын деп есептей аламыз. Егер гипотетикалық масса (немесе, керісінше, қалған энергиясы мк2а) фотонды 10-ға тең қабылданады-18 eV, онда релятивистикалық параметр γ = E / mc2 ≈ 1015.

Тұрақты емес релятивистикалық бөлшектердің қызмет ету мерзімі болғандықтан t = γt0, мұнда t0 және қажетті бөлшектердің өмір сүру ұзақтығы болып табылады, біз нәтижеге келеміз: осындай массасы бар фотонды өмір бойы болуы керек t0 бір айдан асады.


Кейінгі сөз

Мұнда ұсынылған тапсырма алдымен журналда жарияланған мақалада егжей-тегжейлі талданды Физикалық шолу хаттары бірнеше күн бұрын (Photon қалай тұрақтандырылған? // Phys.Rev.Lett. 111, 021801 (2013); Толық мәтін ArchX мұрағатында қол жетімді (arXiv: 1304.2821). Нақты есептеулер көрсеткендей, 1 айдың орнына лимит 3 жылға дейін ұлғайтылуы мүмкін, сонымен қатар фотонды массасына тәуелсіз шектеуге қосымша әкелді. Суретте. 2-де осы мақаланың түпкілікті нәтижесі – логарифмдік шкала бойынша алынып тасталған және рұқсат етілген бұқаралық және өмірлік маңызы бар аумақтар көрсетілген.

Сурет. 2 Логарифмдік масштабтағы өмір сүру ұзақтығына бөлінген жаппай және аралас массаның алынып тасталған және шешілген мәндері. Магнитола t0 Міне, ғаламның жасы. Архивтің мақаласынан сурет: 1304.2821

Мүмкін, алынған жауап алдымен таңданарлықтай болуы мүмкін: бұл қалай, өйткені біз білеміз, бұл сәуле эмиссиясы әлдеқайда көп өмір сүреді! Бірақ біз әлі күнге дейін төмен жиіліктегі радиотолқындар анықталған радиацияның барлық түрлері,фотонды энергиясын оның гипотетикалық массасынан гөрі бірнеше шамдан артық қуаты бар. Осындай фотонды релятивистік емес болуы үшін, бұл энергияны 10-ға дейін азайту керек-18 эВ-ті, сағатына төрттіктің және толқын ұзындығының үштен бір миллиард километрге дейінгі EM толқынына сәйкес келеді. Енді біз осы түрдегі ЭМ толқындарын тіркей алсақ, және бізге күн жүйесінен немесе тіпті жақын жұлдыздардан емес, терең кеңістіктен келу кепілдігі берілсе, онда бұл бағалау айтарлықтай жақсартылуы мүмкін.

Тағы бір маңызды мәселе: бұл бағалаудың таңдалған массаға қатысты екенін есте сақтау керек-18 eV. Егер сіз тіпті аз массаны алсаңыз γФактор бұдан да үлкен болады, яғни фотонды пайдалану мерзімінің төменгі шекарасы төмендейді. Мысалы, салмағы 10-26 Фотонды өз өмірінің эВ-і әдетте 1 секундқа созылуы мүмкін және бұл эксперименттік деректерге қайшы келмейді! Рас, бұл жағдайда тек теориялық қиындықтар пайда болады: фотонның «ені» резонанс ретінде оның массасынан әлдеқайда үлкен болады, сондықтан барлық фотонды тіпті Әлемнің шетіне шығарылған виртуалды, нақты емес бөлшектер деп санауға болады. Бірақ эксперименттер әдетте мұндай бөлшектермен алаңдатуға болмайды.

Шын мәнінде, біздің шешімімізде мақалада талқыланған көптеген нәзік әсерлерге назар аудардық Физика. Rev. Lett. Мысалы, фотонды фотондағы массаның болуы кеңейтетін Әлемдегі фотонды газды салқындатудың басқа заңына әкелуі мүмкін. Рас, бұқаралық массаға (олар 2-суретте көрініп тұрған) шектеулер бұрыннан бар әлдеқайда әлсіз болды. Тағы бір нәтиже: жарық вакуумда ұшпаса, газ немесе плазмада бос фотонды болудан бас тартады және белгілі бір тиімді масса алады. Ғарыштық плазма, әрине, өте сирек кездеседі, сондықтан массасы аз болып шығады, бірақ ол біз қолданған құннан артық болуы мүмкін. Дәлірек талдау әлі жүргізілген жоқ, егер бұл дәлелденсе, онда бағалау қайта қаралуы тиіс.


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

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