Общеизвестный факт о непреодолимости скорости света базируется на научной догме об отсутствии массы у фотонов. Физики задумались, а что если масса у этих вездесущих частиц всё-таки есть, только она очень мала?
В теории, если частицы света не имеют массы, то получается, что они бессмертны и никогда не распадаются на другие, более лёгкие частицы. Если же масса у них всё-таки есть, то на Вселенную можно будет взглянуть совершенно другими глазами.
Тут стоит добавить, что результаты наблюдений астрофизиков в последние десятилетия не исключают минимального шанса наличия у фотона хоть какой-нибудь массы.
Недавно учёные обратились к данным, собранным при помощи спутника COBE, который изучает фоновое космическое излучение с 1989 года. Исследователи рассчитали минимальную продолжительность жизни фотона, основываясь на анализе реликтового электромагнитного излучения, которое образовалось спустя всего несколько сотен тысячелетий после Большого взрыва.
Согласно их расчётам, продолжительность жизни фотона должна составлять от квинтиллиона (миллиард миллиардов) лет до бесконечности. При этом, если верить Эйнштейну, то скорость движения сквозь пространство обратно пропорциональна скорости движения во времени, это называется релятивистским замедлением времени, которое великий учёный описал в своей Специальной теории относительности. Это значит, что если на Земле пройдёт квинтиллион лет, то для фотона пройдёт всего три года.
"Если физикам когда-нибудь удастся доказать, что фотон обладает массой, то все наши представления о свете и его скорости окажутся бессмысленными", — считает ведущий автор последнего исследования Юлиан Хек (Julian Heeck) из Института ядерной физики общества Макса Планка.
Безусловно, непреодолимый барьер скорости света будет по-прежнему нерушим, но фотонам тоже придётся подчиняться определённым законам природы. При наличии хоть минимальной массы скорость движения фотонов была бы обусловлена не только средой, но и длиной волны: синий свет двигался бы быстрее красного. И тогда одновременно испущенные далёкой звездой фотоны с разной длины волны прибыли бы в разное время на Землю.
Так как основная астрофизическая теория — Стандартная модель — основывается на убеждении о безмассовости частиц света, то её тоже придётся переписать. Но для учёных это хорошая новость: они давно мечтают это сделать.
Законы взаимодействия заряженных частиц и уравнения Максвелла, описывающие электромагнитные волны и поля, также потребуют определённых модификаций. Ведь фотон является "переносчиком" электромагнитных сил.
Возвращаясь к реальным наблюдениям, стоит отметить, что исследования магнитного поля Солнца показали: если у фотона и есть масса, то она ничтожно мала. Возможная цифра — 10-54 кг. Как мы уже отметили выше, чтобы определить лимит продолжительности жизни этих частиц, команда Хека внимательно проанализировала данные спутника COBE.
Свет идеально вписывается в модель излучения так называемого абсолютно чёрного тела (АЧТ), которая подсказывает учёным, насколько интенсивным должен быть свет при той или иной длине волны. Если хоть один фотон, летящий с другого конца Вселенной, распался бы во время своего путешествия, то исследователи заметили бы нестыковку. Так, COBE зафиксировал бы более низкоэнергетический (красноватый) свет, чем предсказывается моделью излучения АЧТ.
"Если фотон преодолел очень большое расстояние, скажем, от края Вселенной до Земли, то у него было бы достаточно времени, чтобы распасться на более лёгкие частицы", — говорит Эммануель Берти (Emanuele Berti) из университета Миссисипи, который не принимал участия в работе Хека, но занимался изучением гипотетической массы фотона.
Однако никаких "нестыковок" COBE не зафиксировал. Космическое микроволновое фоновое излучение, похоже, ведёт себя как идеальное АЧТ. Но физики не теряют надежды. По их словам, есть вероятность, что несколько фотонов всё-таки распались по пути к Земле. А если и нет, то продолжительность жизни фотона может быть просто больше, чем возраст всей Вселенной — около квинтиллиона (1018) лет. Самой же Вселенной всего 13,8 миллиарда лет.
Но если фотон гипотетически способен распадаться, то на какие частицы? "Конечно же, это главный вопрос", — говорит Хек. Глюоны, которые, так же как и фотоны, являются калибровочными бозонами, могут быть результатом распада частицы света. Также ими могут быть и нейтрино, которые представлены в нескольких вариантах — электронное, мюонное и тау.
"Если самое лёгкое нейтрино (электронное) не обладает массой вообще, то именно оно может быть результатом фотонного распада. Впрочем, это также может быть и другая, ещё не известная науке частица", — объясняет Хек.
В статье учёного и его коллег, опубликованной в журнале Physical Review Letters, гипотеза о наличии массы у фотона описана с некоторыми обобщениями. К примеру, исследователи пренебрегают взаимодействиями фотонов с материей, которые происходили сразу же после того, как образовался космический микроволновой фон.
В этом случае даже минимальная масса фотона сыграла бы большую роль в этих взаимодействиях и возымела бы заметный эффект. К примеру, частицы света, поглощённые межзвёздной материей (газом) и испущенные вновь, поменяли бы свои свойства. Берти считает, что, несмотря на то, что гипотеза очень интересна, ключ к разгадке прячется в таких деталях.
Хек также полагает, что необходимо брать в расчёт взаимодействия фотонов с материей на ранних этапах существования Вселенной. Но для этого потребуется больше точных данных.
"Я не анализировал данные недавно запущенных спутников, таких как WMAP, лишь по той причине, что в них отсутствует информация о температурах, которая необходима для понимания спектра излучения абсолютно чёрного тела", — отмечает Хек.
Он и его коллеги планируют продолжать своё исследование, и, если оно даст положительные результаты, то мечты о новой физике наконец осуществятся.
Также по теме: Учёные близки к пониманию того, откуда у вещей берётся масса Немецкий космолог выдвинул гипотезу о нерасширении Вселенной Астрофизики создали карту движений ближнего космоса Учёные Германии и России поймали 100 тысяч запутанных фотонов Физики из ICARUS: Эйнштейн все-таки был прав Получена самая точная карта космического излучения в истории
