Kaip ilgai gyvena fotonai? Ar jie kada nors mirs?

Norint suprasti atsakymą į šį klausimą, reikia suprasti, kaip veikia atomai. Trumpai tariant, sunkiam atomui visada yra grėsmė spontaniškai suskilti į mažesnes daleles. Tai vadinama „radioaktyviuoju skilimu,“ ir būtent dėl šio proceso nyksta atomai.

Bet ar kas panašaus dedasi su šviesa?

Trumpai tariant, atsakymas į šį klausimą priklauso nuo to, ar fotonai (elektromagnetinės sąveikos, t.y. šviesos, pernešėjai) gali turėti masę.

Paprastai sakoma, kad fotonų masė lygi nuliui. Tai yra standartinis daugumos fizikų priimamas atsakymas (kitaip tariant, tai yra mokslinis konsensusas); tačiau, kaip dažniausiai moksle jau būna, reikalai darosi įdomūs kai pridedame kitus kintamuosius ir pradedame mąstyti apie visokius „o ką, jeigu?“.

Pavyzdžiui, o ką, jeigu fotonai turi masę?

Jei fotonų rimties masė nėra lygi nuliui, tai reiškia, kad jie gali suskilti į kokias nors žinomas lengvesnes daleles, tokias, kaip neutrinai ir antineutrinai, ar dar neatrastas daleles.

Pažymėtina šios idėjos problema – remiantis mūsų dabartiniu supratimu, fotonai negali sustoti. Taigi, mintis apie rimties masę jiems netinka. Bet įdomumo ir fizikos dėlei tarkime, kad fotonai rimties masę turi ir ji nėra lygi nuliui.

Iš anksčiau atliktų eksperimentų žinome, kokia yra viršutinė šios masės riba, taigi, atsižvelgiant į tai, kaip ilgai gali gyventi fotonai?

Šį klausimą gvildena Julianas Heeckas iš Maxo Plancko Branduolinės fizikos instituto ir Physics Review Letters B publikuotame tyrime Heeckas pateikia skaičiavimus, kiek trumpiausai gali gyventi fotonas.

Kadangi fotonai skrieja tokiais stogą raunančiais greičiais, pasireiškia laiko sulėtėjimas, ir į jį būtina atsižvelgti. Turint tai omenyje, Hecko skaičiavimai rodo, kad fotono atskaitos sistemoje jis gyvuotų nelabai ilgai – vos trejetą metų; tačiau mūsų atskaitos sistemoje šviesa gyvuotų maždaug milijardą milijardų (10¹⁸) metų.

Šį skaičių užrašius nemoksliniu formatu, jis atrodo taip:1 000 000 000 000 000 000 . Palyginimui, mūsų visata tėra 13 800 000 000 metų… netgi nesiverčia liežuvis sakyti „senumo“. Matote, koks didžiulis skirtumas tarp šių skaičių? Ką gi, šis gigantiškas skirtumas reiškia, kad tikrai nenusidėsime, tarę, kad fotonai gyvena amžinai.

Kad gautų aukščiau užrašytą skaičių, Heeckui reikėjo žinoti, kokia yra didžiausia įmanoma fotono rimties masė. Iš ankstesnių analizių Heeckas turėjo skaičių, nubrėžiantį šią ribą prie 10⁻¹⁸ eV (10⁻⁵⁴ kg). Tada Heeckas tyrimą užbaigė, panaudojęs kosminio mikrobangų fono (KMF) spektrą, kuris yra tiksliausiai išmatuotas juodo kūno spektras. Jei fotonas turi rimties masę ir gali suskilti į lengvesnes daleles, fotonų skaičius KFM turėtų mažėti.

Naudojanti minėtus masės ir KFM apribojimus, Heecko analizė parodė, kad regimosios šviesos bangos ilgio fotonas turėtų būtų stabilus, kaip minėta, bent jau 10¹⁸ metų.

futurism.com