การปะทุของโฟตอน• Igor Ivanov •ปัญหาเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ในหัวข้อ "Elements" •ฟิสิกส์

การปะทะกันของ Photon

มะเดื่อ 1 กล้องโทรทรรศน์สมัยใหม่ช่วยให้เราสามารถมองเห็นวัตถุทางดาราศาสตร์ที่ห่างออกไปนับพันล้านปีแสงได้ ในใจกลางของภาพนี้มีจุดที่เห็นได้ชัดเจนระหว่างเส้นแนวตั้งสองเส้น (เปิดภาพด้วยความละเอียดเต็ม!) นี่เป็นเควซาร์ที่อยู่ห่างจากระยะเวลา 12.7 พันล้านปีแสงซึ่งสอดคล้องกับดาราศาสตร์ redshift z = 6 ความจริงที่ว่าแสงจากสิ่งที่อยู่ไกล ๆ ถึงเราสามารถใช้เพื่อกำหนดส่วนของการกระจายโฟตอน ภาพจาก apod.nasa.gov

ในหนังสือวิทยาศาสตร์ที่เป็นที่นิยมเกี่ยวกับฟิสิกส์ยุคใหม่มักเน้นว่าวัตถุที่มีขนาดเล็กสุดและขนาดใหญ่มีความสัมพันธ์กันอย่างไรนั่นคือสมบัติของอนุภาคมูลฐานที่เล็กที่สุดและวิวัฒนาการของจักรวาลทั้งหมด ด้วยเหตุนี้การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์และการทดลองที่ colliders ช่วยกันและกันช่วยกันฟื้นฟูภาพพจน์ของโลกของเรา ในงานนี้จะเสนอให้สร้างความเชื่อมโยงอย่างหนึ่งระหว่างสมบัติของอนุภาคมูลฐานกับสมบัติของจักรวาลในเครื่องชั่งที่ใหญ่ที่สุด

กล้องโทรทรรศน์สมัยใหม่ช่วยให้เราสามารถพิจารณาวัตถุที่อยู่ห่างออกไปนับพันล้านปีแสง (รูปที่1) ด้วยข้อสังเกตเหล่านี้เราสามารถมองช่วงเวลาที่อายุของจักรวาลมีเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ของอายุในปัจจุบัน ความจริงที่ว่าเรามองเห็นวัตถุระยะไกลเช่นกระจุ๋กระอกหมายความว่าแสงที่แผ่กระจายออกไปการบินมากกว่าครึ่งหนึ่งของจักรวาลเป็นเวลาหลายพันล้านปีสามารถเข้าถึงเราได้เกือบทั้งหมดโดยไม่มีการบิดเบือน กล่าวอีกนัยหนึ่งความเป็นจริงในการสังเกตการณ์ควาซาร์เหล่านี้หมายความว่า จักรวาลมีความโปร่งใสเพียงพอสำหรับโฟตอนแสง.

อย่างไรก็ตามในทางที่เราโฟตอนเหล่านี้ไม่ได้เคลื่อนผ่านพื้นที่ว่างที่ว่างอย่างแน่นอน แม้ในกรณีที่ไม่มีก๊าซและเมฆฝุ่นพื้นที่เต็มไปด้วยรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นี่คือแสงของดาวและการแผ่รังสีความร้อนของก๊าซร้อนและการแผ่รังสีไมโครเวฟที่เหลือจากยุคบิกแบง รังสีนี้มีอยู่ทุกที่และโฟตอนบินผ่านรังสีนี้ตลอดเส้นทางสิบพันล้านปี (รูปที่ 2)

มะเดื่อ 2 โฟตอนที่ปล่อยออกมาจากเควซาร์ที่อยู่ไกลออกไปบินผ่านจักรวาลเต็มไปด้วยรังสีและในระหว่างทางจะมีการชนกันหลายครั้งและกระเจิงกับโฟตอนเหล่านี้

รังสีในภาษาของกลศาสตร์ควอนตัมเป็นชุดของโฟตอนปรากฎว่าโฟตอนแสงทุกดวงที่มาถึงเราจากเควซาร์ที่ห่างไกลคือการทดลองแบบไมโครเล็ก ๆ ที่เกิดการชนกันของโฟตอนซึ่งส่งมอบให้กับเราโดยธรรมชาติ โฟตอนแสงแต่ละดวงที่ปล่อยออกมาจากเควซาร์มี "ความพยายาม" มากพอที่จะชนกับโฟตอนที่เต็มไปด้วยจักรวาล ความเป็นไปได้ที่ความพยายามดังกล่าวจะนำไปสู่การชนกันจริงและการกระเจิงของโฟตอนมีน้อยมาก เนื่องจากผลควอนตัมจึงไม่ใช่ศูนย์ แต่ก็ยังเล็กมาก ความจริงที่ว่าโฟตอนได้บินไปกับเราหมายความว่าไม่มีความพยายามมากมายเหล่านี้ได้รับการสวมมงกุฎด้วยความสำเร็จ และนั่นหมายความว่าเราจะได้รับการจำกัดความน่าจะเป็นของโฟตอนสองชนกัน

ในฟิสิกส์ความน่าจะเป็นนี้จะแสดงในรูปแบบของการกระจายกระจาย ในกลศาสตร์คลาสสิกส่วนที่กระจัดกระจายเป็นแพลตฟอร์มขวางซึ่งมีความจำเป็นที่จะต้องกระจัดกระจาย ตัวอย่างเช่นเมื่อสองลูกชนกับเส้นผ่านศูนย์กลางเดียวกัน d ส่วนการกระจัดกระจายคือ πd2.

แนวความคิดของส่วนการกระจัดกระจายสามารถถ่ายโอนไปสู่การชนของอนุภาคมูลฐานได้ เฉพาะที่นี่ก็ต้องจำได้ว่าอนุภาคสำหรับแต่ละอื่น ๆ เป็น "โปร่งแสง" และดังนั้นส่วนไขว้สำหรับการกระเจิงมักจะไม่เกี่ยวข้องกับส่วนทางเรขาคณิตของอนุภาคยกตัวอย่างเช่นเมื่อสองโปรตอนพลังงานสูงชนกันและกันส่วนของการกระจัดกระจายจะสอดคล้องกับสูตรดั้งเดิมนี้:

อย่างไรก็ตามถ้า neutrino ที่มีพลังงาน 1 MeV เกิดขึ้นกับโปรตอนแล้วส่วนการชนกันจะมีขนาดเล็กมาก:

นั่นคือเหตุผลที่นิวทริโน่สามารถเดินทางผ่านโลกได้อย่างง่ายดาย: มันเกือบโปร่งใสสำหรับพวกเขา

ความจริงที่ว่าโฟตอนแสงจากเควซาร์ที่ห่างไกลถึงเราโดยไม่มีปัญหาหมายความว่าส่วนของการกระเจิงของโฟตอนสอง σγγ น้อยมาก เราไม่สามารถหาค่าที่แน่นอนจากการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์เหล่านี้ แต่เราจะสามารถกำหนดวงเงินจากด้านบนให้กับค่าของส่วนตัดขวางนี้ (นั่นคือไม่เกินค่าที่กำหนด)

งาน

ติดตั้ง ข้อ จำกัด ด้านบนของส่วนตัดขวางของการปะทะกันของโฟตอนแสงสองดวงขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าเรามองเห็นควาซาร์ที่ห่างไกล ลองหาคุณสมบัติของรังสีที่บรรจุจักรวาลด้วยตัวคุณเองบนเว็บ


เคล็ดลับ 1

แนวคิดทั่วไปของขนาดไม่สามารถใช้งานได้กับโฟตอนและมันจะไม่เป็นประโยชน์เพราะโฟตอนของกันและกันมีความโปร่งใสเกือบ ดังนั้นเราต้องหาปัญหาในทางกลับกันใช้ความยาวของเส้นทางฟรีความจริงที่ว่าเราเห็นโฟตอนที่ห่างไกลหมายความว่าเส้นทางอิสระของพวกเขาผ่านจักรวาลเต็มไปด้วยรังสีอย่างน้อย 10 พันล้านปีแสง


เคล็ดลับ 2

ลองดูรูปอีกครั้ง 2. ลองจินตนาการว่าแทนที่จะเป็นโฟตอนที่เรากำลังพูดถึงแก๊สโมเลกุลที่ถูกสร้างขึ้นใหม่ ให้ความเข้มข้นของโมเลกุลและส่วนตัดขวางของการปะทะกันของพวกเขากับแต่ละอื่น ๆ เป็นที่รู้จักกัน วาดพื้นที่เชิงพื้นที่ที่โมเลกุลหนึ่ง "รู้สึก" ขณะเคลื่อนที่และหาลำดับความสำคัญว่าโมเลกุลนี้สามารถบินได้อย่างอิสระก่อนที่จะชนกับโมเลกุลอื่น ๆ ได้อย่างไร

ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นการกระเจิงของส่วนตัดและความยาวเส้นทางอิสระสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับโฟตอนได้


การตัดสิน

เราได้รับมาก่อนการเชื่อมต่อที่อธิบายไว้ข้างต้น ถ้าโมเลกุลบินในแนวเส้นตรง Lจากนั้นเธอ "รู้สึก" เป็นส่วนทรงกระบอกของพื้นที่ไปพร้อมกัน σL. ถ้าความเข้มข้นของโมเลกุลเป็น nแล้วถังนี้จะลดลงโดยเฉลี่ย nσL โมเลกุล ความยาวที่หมายเลขนี้มีค่าประมาณเท่ากับหนึ่งคือความยาวเส้นทางฟรีโดยเฉลี่ย ดังนั้นหากทราบถึงความเข้มข้นและความยาวของเส้นทางเราสามารถหาส่วนตัดขวางได้

ในปัญหาของเราเส้นทางที่ไม่มีค่าเฉลี่ยอย่างน้อย 10 พันล้านปีแสง (1026 เมตร) ตอนนี้จำเป็นต้องประเมินความเข้มข้นของโฟตอนในจักรวาล (ในช่วงแสง) และไม่ใช่ในกาแลคซี แต่อยู่ในอวกาศอวกาศเพราะแสงจาก quasars ผ่านส่วนหลักของเส้นทางของมันไปที่นั่น ในการประมาณคร่าวๆนี้สามารถทำได้ดังนี้ลองนับจำนวนโฟตอนที่ดาวฤกษ์ปล่อยออกมาในช่วงอายุการใช้งานของจักรวาลและหารจำนวนนี้โดยปริมาตรของส่วนที่มองเห็นได้ของจักรวาล

ในส่วนที่มองเห็นได้ของจักรวาล – พันล้านกาแลคซี ในทุกกาแลคซี – นับหมื่นล้านดาว ดาวฤกษ์ทั่วไปค่อนข้างหรี่กว่าดวงอาทิตย์ ดวงอาทิตย์แผ่กระจายออกไปประมาณ 4 · 1026 วัตต์ดังนั้นสำหรับดาวฤกษ์ทั่วไปเราจึงมีค่าน้อยกว่าหลายเท่า ปรากฎว่าพลังงานที่แผ่กระจายไปจากดวงดาวทั้งหมดในส่วนที่มองเห็นของจักรวาลมีค่าประมาณ 1046 อังคาร

โฟตอนแสงมีพลังงานประมาณ 1 eV เช่น 10-19 J. ดังนั้นดวงดาวทุกดวงจึงผลิตได้ประมาณ 1065 โฟตอนต่อวินาที ปรากฎว่าในช่วงไม่กี่พันล้านปีมีการผลิตประมาณ 10 ชิ้น82 โฟตอน ถ้าเราแจกจ่ายโฟตอนเหล่านี้ในส่วนที่มองเห็นได้ทั้งหมดของจักรวาลเราจะได้โฟตอนโฟตอนโดยเฉลี่ย nγ ≈ 104 ชิ้น / m3. ทั้งหมดเราได้รับขีด จำกัด บนในส่วนของการกระเจิงของโฟโตแสง

แน่นอนว่าเราใช้วิธีประมาณคร่าวๆคร่าวๆสำหรับการประมาณค่าและสามารถปรับแต่งได้อย่างแน่นอนดังนั้นคำตอบอาจเปลี่ยนแปลงได้โดยหนึ่งหรือสองคำสั่ง


เล่ม

ประมาณการเชิงสังเกตจากด้านบนเป็นสิ่งที่ดี แต่พลศาสตร์ควอนตัมกล่าวได้อย่างไร? ในกรอบของมันการกระจายของสอง photons สามารถนับด้วยความถูกต้องสูงเป็นธรรม ปรากฎว่าส่วนไขว้ขึ้นอยู่กับพลังงานโฟตอนและโฟตอนแสงมีค่าประมาณ 10-68 ม.2นั่นคือเกือบสี่สิบคำสั่งของขนาดต่ำกว่าขีด จำกัด บนที่กำหนดโดยเรา เราไม่ได้รับการประเมินที่เป็นประโยชน์ แต่ก็ไม่มากเท่ากับจำนวนที่มีความสำคัญเนื่องจากความเป็นไปได้ที่จะได้รับข้อ จำกัด

เป็นสิ่งที่น่าสนใจที่จะทำตามสิ่งที่เกิดขึ้นกับการเพิ่มขึ้นของพลังงานโฟตอน ส่วนการกระจายตัวของโฟตอนที่คำนวณได้ในคานวณไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่นถ้าเราไม่ได้พูดถึงแสงธรรมดา แต่เกี่ยวกับโฟตอนที่มีพลังงานเป็นร้อย ๆ GeV ซึ่งชนกับโฟตอนของรังสีไมโครเวฟในพื้นผิวแล้วส่วนข้ามจะมีถึง 10-34 ม.2. ความเข้มข้นของโฟตอนไมโครเวฟในจักรวาลมีการวัดได้ดี: เป็น 410 ล้านหน่วยต่อลูกบาศก์เมตรถ้าตอนนี้เราคำนวณความยาวของเส้นทางอิสระสำหรับโฟตอนพลังงานสูงแล้วจะมีขนาดเล็กกว่าขนาดของจักรวาลหลายเท่า ที่นี่สำหรับโฟตอนดังกล่าวจักรวาลแล้วจะกลายเป็นทึบ!

ข้อสรุปนี้มีผลโดยตรงต่อการสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์พลังงานสูง ปรากฎว่ามันไม่มีประโยชน์อะไรที่จะพยายามจับโฟตอนของพลังงานที่เป็นพิเศษจาก quasars หรือรังสีแกมมาที่ไกลเกินไป โฟตอนดังกล่าวแม้ว่าจะมีการปล่อยออกมาก็ตามจะไม่สามารถเข้าถึงเราได้ ค่าความทึบแสงโดยประมาณสำหรับโฟตอนที่มีพลังงานจาก 100 GeV ขึ้นไปจะแสดงในรูป 3

มะเดื่อ 3 ขีด จำกัด โปร่งใสของจักรวาลสำหรับโฟตอนที่มีพลังงาน 100 GeV และสูงกว่าที่จุดเปลี่ยนสีจาก 0 ถึง 0.7 บริเวณที่แรเงา สอดคล้องกับพลังงานและระยะทางดังกล่าวไปยังแหล่งกำเนิดซึ่งโฟตอนไม่ถึงเรา เส้นโค้งที่แตกต่างกัน ตอบการคำนวณของกลุ่มต่างๆ จุด – ผลการค้นพบรังสีแกมมาที่ประสบความสำเร็จจากพลังงานสูงมากจากเควซาร์หลาย ๆ ภาพจาก pisgm.ucolick.org

หนึ่งสามารถมองไปที่ผลเดียวกันจากที่อื่นมุมมองที่เป็นบวกมากขึ้น โฟตอนที่มีพลังงานสูงเช่นนี้สามารถใช้เป็นเครื่องมือในการศึกษาขนาดกลางอวกาศได้โดยการวัดว่าโฟตอนพาเรามาจากแหล่งที่มีธรณีฟิสิกส์อยู่ในระยะทางที่ทราบได้อย่างไรเราสามารถ "ตรวจสอบ" ความเข้มข้นของรังสีในอวกาศได้! การศึกษาค่านี้ (EBL, แสงพื้นหลัง extragalactic) อุทิศจำนวนมากของบทความในปีที่ผ่านมา


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

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