Ποια είναι η διάρκεια ζωής ενός φωτονίου;

Νέα μελέτη προτείνει ότι τα φωτόνια ζουν για ένα
δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια (10 18 ) χρόνια.

Το φωτόνιο - το κβάντο φωτός ή αλλιώς η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία - συνήθως θεωρείται ότι έχει μηδενική μάζα. Αλλά κάποιες θεωρίες θέλουν τα φωτόνια να έχουν μια μικρή μάζα ηρεμίας και συνέπεια αυτού θα είναι ότι τα φωτόνια θα μπορούσαν στη συνέχεια να διασπαστούν σε ελαφρύτερα στοιχειώδη σωματίδια....

Έτσι, αν ήταν δυνατή μια τέτοια διάσπαση, ποια είναι τα όρια για τη διάρκεια ζωής ενός φωτονίου; Αυτό είναι το ερώτημα που τέθηκε από ένα φυσικός στη Γερμανία, ο οποίος έχει υπολογίσει το κατώτερο όριο για τη διάρκεια ζωής του φωτονίου να είναι τρία χρόνια στο πλαίσιο αναφοράς του φωτονίου. Αυτό μεταφράζεται σε περίπου ένα δισεκατομμύριο δισ. (10 18 ) χρόνια στο δικό μας πλαίσιο αναφοράς.

Θέμα μάζας

Η ιδέα ότι τα φωτόνια έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής και ως εκ τούτου μάζα, είναι δύσκολο να τη φανταστεί κανείς. Πράγματι, οι αστρονόμοι κοιτάζοντας μακρινά κοσμικά αντικείμενα ανιχνεύουν τακτικά φωτόνια που είναι δισεκατομμυρίων ετών. Αλλά μερικές θεωρίες προτείνουν ότι τα φωτόνια θα μπορούσαν να έχουν μια μη μηδενική μάζα ηρεμίας, αν και μικρή - το ανώτατο όριο για τη μάζα του φωτονίου περιορίζεται σε 10 -18 eV ή 10 -54 κιλά, χάρη σε πειράματα με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Με αυτή την μικρή μάζα, ένα φωτόνιο θα μπορούσε να διασπαστεί σε άλλα ελαφρύτερα στοιχειώδη σωματίδια, όπως ένα ζευγάρι από τα ελαφρύτερα νετρίνα και αντινετρίνα, ή ακόμη και από σωματίδια που είναι προς το παρόν άγνωστα και πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής.

Τώρα, ο Julian Heeck του Ινστιτούτου Max Planck για Πυρηνικής Φυσικής στη Χαϊδελβέργη, Γερμανία, έχει κάνει κοσμολογικές παρατηρήσεις για τα σημάδια της φθοράς φωτονίων. Βλέπε  κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB), ένα απομεινάρι από το Big Bang που τέθηκε σε λειτουργία όταν το σύμπαν ήταν πολύ νέο - μόνο περίπου 380.000 ετών.

 Ιστορικό Λάμψης

Πριν από εκείνη την εποχή, η ύλη και η ακτινοβολία ήταν άρρηκτα συνδεδεμένες. Αλλά καθώς το σύμπαν υποβλήθηκε σε μια περίοδο ακραίας ανάπτυξης, που είναι γνωστή ως «πληθωρισμός» και διεστάλει, το καυτό πλάσμα ηλεκτρονίων και ελαφρών πυρήνων ψύχεται ώστε να επιτρέπει  να σχηματιστούν ουδέτερα άτομα. Αυτή η ξαφνική «αποσύνδεση» ύλης και ακτινοβολίας επέτρεψε στα φωτόνια να ταξιδεύουν ελεύθερα σε όλο το σύμπαν. Με τη πάροδο του χρόνου, τα μήκη κύματος τους μεγάλωσαν από την επέκταση του σύμπαντος για να αφήσει μια αμυδρή λάμψη ακτινοβολίας στην περιοχή των μικροκυμάτων στο φάσμα - μια εκπομπή ομοιόμορφη, μαύρου σώματος θερμικής ενέργειας - προς κάθε κατεύθυνση θα μπορούμσαμε να εντοπίσουμε σήμερα.

Περισσότερα από 100 πειράματα έχουν μελετήσει την CMB, δεδομένου ότι ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά, συμπεριλαμβανομένου του δορυφόρου της NASA Cosmic Background Explorer (COBE) και πιο πρόσφατα, από την αποστολή Planck του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, τα οποία έχουν κάνει όλο και πιο ακριβείς μετρήσεις αυτής της ακτινοβολίας. Στην πραγματικότητα, το φάσμα CMB είναι το πιο επακριβώς μετρηθέν μαύρο σώμα στη φύση.

Μεγάλη διάρκεια ζωής

Είναι αυτό το φάσμα που ο Heeck χρησιμοποιεί υποχρεωτικά για τους υπολογισμούς του - το ίδιο που χρησιμοποιείται με εξαιρετικά ακριβή δεδομένα από την αποστολή COBE και το συνέκρινε με υπολογιζόμενο φάσμα του, που περιελάμβανε τη φθορά του φωτονίου.

Εάν το φωτόνιο έχει μάζα και έχει διασπαστεί σε ελαφρύτερα σωματίδια, τότε η πυκνότητα του αριθμού των φωτονίων της CMB θα πρέπει να μειώνεται, όπως το ταξίδι του φωτονίου. Αλλά αυτό με τη σειρά του θα σημαίνει ότι το φάσμα CMB δεν θα ταιριάζει πλέον με τη σχεδόν τέλεια θερμική καμπύλη που παρατηρείται. Ο Heeck λέει ότι η CMB είναι ένα σχεδόν τέλειο μαύρο σώμα, πολύ λίγα φωτόνια, αν υπάρχουν, θα έχουν αποσυντεθεί κατά τη διάρκεια της ύπαρξης 13,8 δισεκατομμυρίων ετών του σύμπαντος και έτσι οι CMB μετρήσεις μπορούν να περιορίσουν τη διάρκεια της ζωής του φωτονίου.

Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό της μάζας και τους περιορισμούς της CMB, ο Heeck υπολογίζει τη διάρκεια της ζωής του φωτονίου στο δικό του πλαίσιο αναφοράς να είναι τριετής. Αλλά, όπως αυτά φωτόνια με τη μικροσκοπική μάζα ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, η διαστολή του χρόνου πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για την απόκτηση της ζωής τους στο πλαίσιο αναφοράς μας - και αυτό υπολογίζεται ότι είναι 1018 ή ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια χρόνια. H βελτίωση αυτού του ορίου μπορεί να είναι δύσκολη έως ότου νέες μελέτες μπορεί να επιτύχουν να ανιχνεύσουν περαιτέρω το πρώιμο σύμπαν.

Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δ. Γιάκας