ชีวิตของโฟตอน• Igor Ivanov •ปัญหาเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ในหัวข้อ "Elements" •ฟิสิกส์

อายุการใช้งานโฟตอน

มะเดื่อ 1 การสลายตัวของโฟตอน ในทางทฤษฎีใช่ถ้ามันมีค่าเป็นศูนย์ถ้ามีมวลน้อยและมีอนุภาคที่เบากว่า

หนึ่งในงานหลักของฟิสิกส์ทดลองคือการทดสอบสมมติฐานของนักทฤษฎีเกี่ยวกับการทำงานและหน้าที่ของโลกของเรา และการทดสอบนี้ไม่เพียง แต่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีสมมุติฐานและข้อสันนิษฐานที่มีการโต้เถียงเท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงข้อความ "reinforced concrete" ที่ดูเหมือนมากที่สุด ให้พวกเขาดูไม่อาจหลีกเลี่ยงได้กับทฤษฎี; งานของผู้ทดลองคือเพื่อให้แน่ใจว่าคำแถลงนี้ไม่ขัดต่อประสบการณ์โดยใช้ชุดเครื่องมือวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ทั้งหมด

ตัวอย่างเช่นโฟตอน – ควอนตั้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ในฟิสิกส์สมัยใหม่เชื่อว่าโฟตอนมีมวลและไม่มีประจุไฟฟ้า สำหรับทฤษฎีส่วนใหญ่ที่ครอบงำก็ไม่สามารถเป็นอย่างอื่นหลังจากนั้นเป็นที่ชัดเจนว่าในฟิสิกส์สมัยใหม่แม่เหล็กไฟฟ้าจะได้รับและมีคุณสมบัติของโฟตอนจะได้รับโดยอัตโนมัติเช่นเดียวกับที่ นอกจากนี้การเบี่ยงเบนเล็กน้อยของมวลหรือค่าของโฟตอนจากศูนย์จะนำไปสู่ผลกระทบที่ค่อนข้างผิดปกติซึ่งเราไม่ได้สังเกตเห็นในการทดลองดังนั้นถ้าโฟตอนมีมวลหรือประจุที่ไม่ใช่ศูนย์ก็จะต้องไม่มีนัยสำคัญเลย แต่ข้อ จำกัด ด้านบนของปริมาณเหล่านี้คืออะไร? คำถามนี้ต้องตอบโดยฟิสิกส์ทดลอง (พร้อมด้วยการสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ซึ่งมีบทบาทสำคัญที่นี่) การละเว้นรายละเอียดเราจะระบุเพียงว่าสถานะปัจจุบันของการวิเคราะห์นี้จะปรากฏในหน้ากลุ่มอนุภาคด้วยคุณสมบัติของโฟตอน

น่าแปลกที่หน้านี้ไม่มีค่าที่สำคัญอีกประการหนึ่ง – อายุการใช้งานโฟตอน. อย่างไรก็ตามหากโฟตอนได้รับอนุญาตให้มีมวลที่ไม่ใช่ศูนย์แม้ว่าจะมีขนาดเล็กมากก็สามารถสลายตัวเป็นอนุภาคที่มีน้ำหนักเบาได้เช่นกันกล่าวได้ว่าคู่ของนิวทริโน่ถ้า neutrino ที่เบาที่สุดนั้นไม่มีมวล นั่นคือโฟตอนจะกลายเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียรและทุกอนุภาคที่ไม่เสถียรมีลักษณะอายุเฉลี่ย

เพื่อหลีกเลี่ยงความเข้าใจผิดเราจะเน้นสองเรื่อง ประการแรกมันเป็นเรื่องเกี่ยวกับเวลาของชีวิตก่อนการสลายตัวของ โฟตอนฟรี ในสูญญากาศ ภายใต้สภาวะปกติโฟตอนสามารถมีชีวิตอยู่ได้ในระยะเวลาสั้น ๆ ตั้งแต่ช่วงเวลาของการปลดปล่อยจนถึงขณะดูดซึม แต่นี่ไม่ได้ใช้กับคุณสมบัติของโฟตอนเองมันเป็นเพียงเงื่อนไขภายนอกที่ จำกัด ,ซึ่งวางโฟตอนไว้ เรามีความสนใจในชีวิต "ส่วนบุคคล" ของโฟตอนเป็นอนุภาคเดี่ยวที่ไม่ถูกดูดกลืน

ประการที่สองเราจะเห็นด้วยกับคำศัพท์ ลักษณะ "ชีวิต" เป็นตัวเลขแสดงถึงระยะเวลาของอนุภาค ในระบบที่เหลือ. ในกรอบอ้างอิงอื่นที่อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพัทธภาพเวลาสลายตัวเพิ่มขึ้นเนื่องจากผลของการขยายเวลา – หนึ่งในผลพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพ บอกเราว่าเมื่อ muon มีเวลาชีวิต 2 mikroseconds มัน muon พักผ่อนที่มีความหมาย; muons พลังงานสูงอาศัยอยู่นานมากขึ้นและนั่นคือเหตุผลที่ muon ที่ก่อตัวขึ้นที่ไหนสักแห่งในบรรยากาศชั้นบนเข้าถึงพื้นผิวของโลก

ดังนั้นสมมุติว่าโฟตอนไม่ได้เป็นมวล แต่มีมวลเท่ากับขอบเขตบนที่อนุญาตให้มีวันนี้ตามกลุ่มข้อมูลอนุภาค ตอนนี้ถ้าเราดูข้อมูล astrophysical ที่รู้จักกันในปัจจุบันเราสามารถหา "แสงที่เก่าแก่ที่สุด" นั่นคือโฟตอนที่บินมาหาเรายาวที่สุดและยังไม่แตกสลาย พยายามค้นหาข้อมูลนี้ด้วยตัวคุณเอง

งาน

จากคำแนะนำข้างต้น โหวตสิ่งที่อาจเป็นชีวิตของโฟตอนของมวลดังกล่าว


เคล็ดลับ 1

แสงที่เก่าแก่ที่สุดคือการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาก่อนที่รังสีชนิดอื่น ๆ ทั้งหมดจะสามารถสังเกตได้ เป็นที่รู้กันโดยประมาณว่าโฟตอนบินไปในแสงนานแค่ไหนพลังงานของพวกมันเป็นที่รู้จักกันดีและนี่ก็เพียงพอที่จะหาอายุการใช้งานที่ต้องการได้


เคล็ดลับ 2

แสงที่เก่าแก่ที่สุดคือการแผ่รังสีไมโครเวฟ ในช่วงหลายสิบปีที่ผ่านมาดาวเทียมพิเศษหลายแห่ง RELICT-1, COBE, WMAP, Planck ได้ทำการตรวจวัดรังสีอย่างละเอียดและทำแผนที่โดยละเอียด รังสีนี้อยู่ในช่วงความยาวคลื่นที่กำหนดซึ่งหมายความว่าโฟตอนของมันมีพลังงานอยู่ในช่วงที่กำหนด

หลังจากนั้นก็ยังคงต้องทำความเข้าใจว่าพลังงานนี้มีค่ามากกว่ามวลโฟตอนประมาณเท่าใดและวิธีการขยายตัวของเวลาที่สัมพันธ์กันขึ้นอยู่กับพลังงานอนุภาค


การตัดสิน

ลักษณะของ CMB สามารถพบได้ง่ายในเครือข่าย (ดูตัวอย่างเช่น Wikipedia บทความเกี่ยวกับ Astronet บันทึกเกี่ยวกับ WMAP Astropart ของวันเกี่ยวกับ Planck ผลข้อมูลจากโปสเตอร์เกี่ยวกับ EM radiation) รังสีอัลตราไวโอเลตเป็น "ภาพรวมของจักรวาล" เมื่อมีเพียง 380,000 เท่านั้นปีหลัง Big Bang ซึ่งน้อยกว่ายุคปัจจุบันของจักรวาล (13.8 พันล้านปี) ดังนั้น "อายุ" ของแสงนี้สามารถนำมาได้เท่ากับอายุของจักรวาลนั่นคือประมาณ 1010 ปี (ตามลำดับของการประมาณค่าสัมประสิทธิ์ตัวเลขของลำดับที่ 2 สามารถละเลย)

สำหรับข้อ 1010 ปีแสงไม่เพียง แต่ไม่ได้กระจุยเลย แต่ ไม่ได้เริ่มต้นที่จะสลายตัว. อันที่จริงแล้วดาวเทียม WMAP และ Planck ไม่เพียง แต่เห็นรังสีไมโครเวฟเท่านั้นพวกเขาวัดได้ด้วยความถูกต้อง 10-4และมีความถูกต้องแม่นยำเช่นว่าสเปกตรัมที่ซับซ้อนของมันอยู่ในรูปแบบของจักรวาลวิทยาที่ทันสมัย ดังนั้นเราสามารถสันนิษฐานได้อย่างปลอดภัยว่าอายุการใช้งานของโฟตอนไมโครเวฟไมโครเวฟ relic เป็นอย่างน้อย 4 คำสั่งของขนาดใหญ่กว่าค่านี้นั่นคือไม่น้อยกว่า 1014 ปีที่ผ่านมา

อุณหภูมิปัจจุบันประมาณ 2.7 เคลวินซึ่งสอดคล้องกับพลังงานหนึ่งโฟตอนประมาณ 0.23 meV (millielectronvolt) แน่นอนก่อนหน้านี้อุณหภูมินี้สูงขึ้นเมื่อจักรวาลขยายตัวรังสีนี้จะเย็นตัวลง สำหรับค่าประมาณคร่าว ๆ เราสามารถสันนิษฐานได้ว่าอุณหภูมิเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 1 meV ถ้าสมมุติฐานมวล (หรือมากกว่าส่วนที่เหลือของพลังงาน MC2a) โฟตอนที่ถ่ายเท่ากับ 10-18 eV แล้วพารามิเตอร์สัมพัทธภาพ γ = E / mc2 ≈ 1015.

ตั้งแต่อายุการใช้งานของอนุภาคความสัมพันธ์ที่ไม่เสถียรคือ เสื้อ = γเสื้อ0, ที่ไหน เสื้อ0 และเป็นอายุการใช้งานที่ต้องการของอนุภาคเราจะได้ผลลัพธ์: โฟตอนที่มีมวลดังกล่าวต้องมีอายุการใช้งาน เสื้อ0 มากกว่าหนึ่งเดือน.


เล่ม

งานที่เสนอในที่นี้เห็นได้ชัดว่าเป็นการวิเคราะห์อย่างละเอียดในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร จดหมายวิจารณ์ทางกายภาพ เพียงไม่กี่วันที่ผ่านมา (ความเสถียรเป็นโฟตอน? / / Phys.Rev.Lett 111, 021801 (2013); ข้อความฉบับเต็มมีอยู่ใน archX archive (arXiv: 1304.2821) การคำนวณที่ถูกต้องมากขึ้นแสดงให้เห็นว่าแทนที่จะใช้เวลา 1 เดือนขีด จำกัด จะเพิ่มขึ้นเป็น 3 ปีและยังนำไปสู่การ จำกัด อิสระในมวลสารโฟตอน ในรูป 2 แสดงผลสุดท้ายของบทความนี้ – พื้นที่ของค่าที่ได้รับการยกเว้นและได้รับอนุญาตและอายุการใช้งานในระดับลอการิทึม

มะเดื่อ 2 พื้นที่ที่ได้รับการยกเว้นและได้รับการแก้ไขค่าของมวลและการรวมกันของมวลหารด้วยอายุการใช้งานในระดับลอการิทึม ความคุ้มค่า เสื้อ0 นี่คือยุคของจักรวาล ภาพจากบทความ arXiv: 1304.2821

บางทีคำตอบที่ได้รับอาจจะแปลกใจในตอนแรกว่าเป็นอย่างไรเพราะเรารู้แน่ว่ารังสี EM นั้นมีชีวิตที่ยาวนานกว่ามาก! แต่อย่าลืมว่ารังสีทุกประเภทที่เราตรวจพบไปแล้วแม้แต่คลื่นวิทยุความถี่ต่ำ,มีพลังงานโฟตอนหลายลำดับความสำคัญมากกว่ามวลสมมุติของมัน เพื่อให้โฟตอนดังกล่าวกลายเป็นสัมพัทธภาพที่ไม่สัมพันธ์กันจำเป็นต้องลดพลังงานลงเหลือ 10-18 eV ซึ่งสอดคล้องกับคลื่น EM ที่มีระยะเวลาหนึ่งในสี่ของชั่วโมงและมีความยาวคลื่นประมาณหนึ่งพันล้านกิโลเมตร ตอนนี้ถ้าเราสามารถลงทะเบียนคลื่น EM ชนิดนี้และรับประกันว่าจะมาหาเราไม่ได้มาจากบริเวณใกล้เคียงกับระบบสุริยะหรือแม้กระทั่งจากดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ที่สุด แต่จากอวกาศลึก ๆ การคาดคะเนนี้จะดีขึ้นอย่างมาก

อีกจุดสำคัญ: ควรจดจำว่าการประมาณนี้เกี่ยวข้องกับมวลที่เลือกไว้ 10-18 eV ถ้าคุณใช้มวลที่เล็กกว่านั้น γปัจจัยจะยิ่งใหญ่กว่าซึ่งหมายความว่าขอบเขตล่างของชีวิตโฟตอน จะลดลง. ตัวอย่างเช่นมีน้ำหนัก 10-26 ค่า eV ของชีวิตของโฟตอนอาจอยู่ที่ประมาณ 1 วินาทีและจะไม่ขัดแย้งกับข้อมูลการทดลองใด ๆ ! จริงในกรณีนี้ปัญหาทางทฤษฎีหมดจดเกิดขึ้น: "ความกว้าง" ของโฟตอนเป็นเสียงสะท้อนจะมีขนาดใหญ่กว่ามวลของมันดังนั้นโฟตอนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาแม้อยู่ที่ขอบของจักรวาลจะต้องได้รับการพิจารณาแบบเสมือนไม่ใช่อนุภาคที่แท้จริง แต่นักทดลองมักไม่สนใจรายละเอียดดังกล่าว

ในความเป็นจริงในการตัดสินใจของเราเราปิดตาของเราเป็นจำนวนมากผลละเอียดที่ได้กล่าวถึงในบทความมา สรวง รายได้ เลทท์. ยกตัวอย่างเช่นการปรากฏตัวของมวลในโฟตอนสามารถนำไปสู่กฎการทำให้เย็นลงของก๊าซโฟตอนในจักรวาลที่กำลังขยายตัวได้ จริงข้อ จำกัด ที่เกิดขึ้นเกี่ยวกับมวล (พวกเขาจะมองเห็นได้ในรูปที่ 2) เปิดออกมาเป็นมากอ่อนแอกว่าที่มีอยู่แล้ว ผลอีกอย่างหนึ่งก็คือเมื่อแสงไม่บินในสูญญากาศ แต่ในก๊าซหรือพลาสม่ามันจะหยุดเป็นโฟตอนฟรีและได้รับมวลที่มีประสิทธิภาพบางอย่าง พลาสมาของจักรวาลแน่นอนจะถูกทำให้ราบรื่นมากดังนั้นมวลจะกลายเป็นไม่เพียงพอ แต่ก็มีโอกาสที่อาจจะกลายเป็นมากกว่าค่าที่เราใช้ การวิเคราะห์ที่แน่นอนยังไม่ได้รับการดำเนินการและหากเป็นกรณีนี้การประเมินจะต้องได้รับการแก้ไข


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: :???: :?: :!: