FoodPro Preloader

Big Bang Light avslører minimum levetid for fotoner


Begrepet lysets hastighet som den kosmiske hastighetsgrensen er basert på antagelsen om at lyspartikler, kalt fotoner, ikke har masse. Men astrofysiske observasjoner kan ikke utelukke den lille sjansen at fotoner har en liten bit masse - et prospekt med store forgreninger i fysikken. For eksempel, hvis fotoner veier ingenting i det hele tatt, ville de være helt stabile og kunne teoretisk vare for alltid.

Begrepet lysets hastighet som den kosmiske hastighetsgrensen er basert på antagelsen om at lyspartikler, kalt fotoner, ikke har masse. Men astrofysiske observasjoner kan ikke utelukke den lille sjansen at fotoner har en liten bit masse - et prospekt med store forgreninger i fysikken. For eksempel, hvis fotoner veier ingenting i det hele tatt, ville de være helt stabile og kunne teoretisk vare for alltid. Men hvis de har en liten masse, kan de til slutt falle til lettere partikler. Nå, ved å studere gammelt lys utstrålt kort tid etter big bang, har en fysiker beregnet den minste levetiden til fotoner, og viser at de må leve i minst en milliard milliard år, om ikke for alltid.

Den levetiden kan høres ut som en evighet, men til en foton som reiser med lyshastighet, går den i en relativ blink. På grunn av tidsutvidelseseffekten spådd av Einsteins spesielle relativitetsteori, føles en milliard milliard år på jorden som bare tre år til en foton, fordi den reiser så fort.

Hvis fysikere noensinne oppdager at fotoner har ikke-masse, og dermed begrensede liv, så vil "begrepet lyshastighet åpenbart ikke gi mye mening lenger", sier studieforfatter Julian Heeck, PhD-student ved Max Planck Institute for Nuclear Fysikk i Heidelberg, Tyskland. " Det ville fortsatt være en absolutt grense for hastigheter, men fotene måtte også adlyde den loven og reise under lysets hastighet. "Fotonens hastighet ville da avhenge av bølgelengder, og blått lys ville reise raskere enn rødt lys . Fotoner utgitt samtidig fra fjerne stjerner ville komme til Jorden på forskjellige tidspunkter, avhengig av deres bølgelengder.

En foton med masse ville også kreve endringer i standardmodellen av partikkelfysikk (som utgjør en masseløs foton), Maxwell-ligningene som beskriver elektromagnetiske bølger og felt (fotoner er bærerpartiklene for elektromagnetisk kraft) og lovene som beskriver samspill mellom ladede partikler . På grunn av denne sistnevnte effekten har observasjoner av solens magnetfelt allerede bevist at fotonen, hvis den veier noe i det hele tatt, må være ekstremt lys. Den nåværende eksperimentelle grensen for fotonens mulige masse er 10 -54 kilo.

For å finne grensen på fotonisk levetid, analyserte Heeck observasjoner av det kosmiske mikrobølgeovnens bakgrunnsstrålelys som gjennomsyrer universet som stammer fra noen få hundre tusen år etter at big bang-hentet fra den nå nedslitte NASAs Cosmic Background Explorer (COBE) satellitt, lansert i 1989. Dette lyset passer til et veldig spesifikt mønster-kalt blackbody-stråling, som forteller forskere hvor intens lyset skal være, basert på bølgelengden. Hvis noen fotoner forfallet mens de reiste over universet, ville COBE se mindre lysenergi (redder) lys enn spådd av svartlegestråleloven, fordi rødt lys skulle forventes å forfall raskere enn blått lys. "Hvis fotonene kommer fra veldig langt unna, si fra universets begynnelse, så kan de ha fått nok tid til å henfalde på vei her, sier fysiker Emanuele Berti fra University of Mississippi, som har studert massen av foton, men var ikke involvert i Heecks forskning. "Det er ideen, som jeg synes er veldig elegant."

Men ifølge COBEs målinger virker den kosmiske mikrobølgebakgrunnen å oppføre seg som en perfekt svartbody. Ingen lav-energilampe ser ut til å mangle, noe som indikerer at svært få fotoner, hvis noen, har forfallet siden big bangen for 13, 7 milliarder år siden. Denne analysen gjorde det mulig for Heeck å beregne at minimums levetid for en foton er 10 18, eller en milliard milliard år.

Selv om den enkle modellen til en masseløs foton kan vise seg å være riktig, øker utsikten til en med masse noen spennende muligheter. For eksempel, hvis fotoner forfaller, hva forstyrrer de i? - Det er selvsagt nøkkelspørsmålet, sier Heeck. En mulighet er partikler som kalles neutrinos, som kommer i flere varianter, eller smaker: "Hvis den letteste nøytrinen var masse, så ville det være den mest åpenbare endelige tilstanden" for fotografen, sier Heeck. En foton "kan i prinsippet også forfalle i andre ukjente partikler." *

Heecks papir, publisert 11. juli i Physical Review Letters, representerer den første beregningen av en levetid for en foton, men det er basert på noen forenklende forutsetninger, sier han. Viktigst, det forsømmer vekselvirkninger av fotoner og materie etter at kosmisk mikrobølgeovn er dannet, noe som kan ha en sterk effekt hvis fotoner har svært små masser. For eksempel kan fotoner absorberes av interstellar materie og reemitted, endre deres egenskaper. Berti er enig i at forutsetningene kompliserer ting. "Beregningen er i utgangspunktet veldig interessant, " sier han. "Men så er djevelen i detaljene."

Hvis disse saksinteraksjonene blir bedre forstått og tatt i betraktning, sier Heeck at han kunne beregne strammere grenser for fotonets levetid. Mer presise data om kosmisk mikrobølgebakgrunn vil også hjelpe, selv om grunnen til at Heeck ikke brukte målinger fra nyere romfartøy enn COBE, som Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, er at de nyere observasjonene mangler de nødvendige temperaturdataene for å forstå lysets blackbody spektrum.

* Korreksjon (7/30/2013): En tidligere versjon av denne historien uttalt at gluoner representerer en potensiell sluttstat for fotonråte. Men dette er ikke mulig fordi en egenskap av gluoner som kalles fargebeskyttelse forhindrer dem i å bli funnet alene.

Anbefalt


Aviation Industry ser ut til å løse et karbonproblemManglende nøytroner kan føre et hemmelig liv som mørk materieKan vi holde flyene trygge uten å drepe så mange fugler?Hva lærer forskere ved å binde fugler?Records from Ancient China Reveal Link Between Epidemics and Climate ChangeMan-Made Genetiske Instruksjoner Yield Living Cells for første gang2017 Var det tredje hotteste året på rekord for USABybeboere Kjør avskoging i 21. århundre