Menu

Meddig él egy foton?

Meddig él egy foton?A fénysebesség átléphetetlenségének elmélete többek közt azon a feltevésen alapul, miszerint a fotonok nem rendelkeznek tömeggel.

 

Asztrofizikai megfigyelésekkel azonban mindeddig nem sikerült teljesen kizárni annak lehetőségét, hogy a részecskéknek mégis van némi aprócska tömegük. Ha viszont ez a helyzet, annak jelentős következményei lehetnek a jelenleg hatályos fizikai modellekre. Amennyiben a foton nem rendelkezik tömeggel, tökéletesen stabilnak, és mint ilyen, örökéletűnek kell lennie. Ha azonban van tömege, felezési ideje is van, vagyis idővel még kisebb részecskékre bomlik, azaz fotonként megszűnik létezni. Az ősrobbanás után nem sokkal kibocsátódott ősi sugárzás tanulmányozása révén egy német fizikus nemrégiben kiszámította, hogy meddig élhet minimálisan egy foton.

Ha kiderülne, hogy a fotonnak van tömege, és ebből adódóan az élettartama véges, a fénysebesség fogalma értelmét vesztené, magyarázza Julian Heeck, a heidelbergi Max Planck Magfizikai Kutatóintézet munkatársa, a kutatás vezetője. Az elérhető sebességeknek persze továbbra is létezne egy abszolút felső határa, de mivel a fotonokra is érvényesek lennének a tömeggel rendelkező objektumokra vonatkozó fizikai törvények, ezt a határt a fény részecskéi sem érhetnék el. A fotonok sebessége hullámhosszuktól függne, így a kék fény gyorsabban haladna, mint a vörös, vagyis például a távoli csillagok esetében a különböző hullámhosszú fotonok eltérő időpontokban érnének el a Földre.

Tömeggel rendelkező fotonok esetében módosítani kellene a részecskefizikai standard modellt, az elektromágneses hullámok és terek viselkedését leíró Maxwell-egyenleteket és a töltött részecskék közti interakciókat leíró törvényeket is. A Nap mágneses terével kapcsolatos megfigyelések alapján egy dolog bizonyosnak tűnik: ha van is tömege a fotonnak, az rendkívül kicsi, a kísérleti adatok és csillagászati mérések alapján egy részecske legfeljebb 10-54 kilogrammot nyomhat.

A foton minimális élettartamának meghatározásához Heeck a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást tanulmányozta, amely az ősrobbanás után nagyjából 380 000 évvel keletkezett, amikor az atommagok és elektronok összeálltak atomokká, és a világegyetem átlátszóvá vált a fotonok számára. Elemzéséhez a kutató a NASA COBE nevű, 1989-ben felbocsátott műszerének mérési adatait használta fel. Ha a fotonok rendelkeznének véges élettartammal, ennek látszódnia kellene a háttérsugárzási adatokban: ez esetben az alacsonyabb energiájú (vörösebb hullámhosszú) fotonokból kevesebbet észlelnénk, hiszen a vörös fény fotonjai gyorsabban bomlanának, mint a kéké, magyarázza a szakértő.

A COBE adatai alapján azonban a kozmikus háttérsugárzás tökéletes feketetest-sugárzásként viselkedik, vagyis egyik hullámhossz-tartományban sem észlelhető hiány. Heeck ebből arra következtet, hogy amennyiben történtek fotonbomlások az ősrobbanás óta, ezen események száma rendkívül alacsony lehetett. A COBE méréseinek érzékenysége alapján ezért a foton minimális élettartamának el kell érnie a 10-18 évet. Ez emberi szemmel nézve örökkévalóságnak tűnhet, a fénysebességgel száguldó részecske számára azonban jóval kevesebb időről van szó. Az Einstein speciális relativitáselmélete által felvázolt idődilatációs hatásból adódóan a földi megfigyelő által 10-18 évnek mért időtartamra ugyanis a foton „szemszögéből”, annak feltételezett tömegével is számolva három év jön ki.

Bár könnyen előfordulhat, hogy az eredeti feltevések a helyesek, és a fotonnak valóban nincs tömege, ennek ellenkezője érdekes eshetőségek sorát veti fel. Az egyik rögtön felmerülő kérdés, hogy amennyiben a foton képes még kisebb részecskékre bomlani, mik is lehetnek ezek. Az elektromágneses kölcsönhatást közvetítő fotonhoz hasonlóan a jelenlegi elméletek szerint az erős kölcsönhatás (az atommagok részegységeit összetartó erők) közvetítő részecskéi, a gluonok is tömegtelenek, így megeshet, hogy ezek a fotonbomlás végtermékei. Heeck elmondása szerint szintén a potenciális bomlástermékek közé tartoznak a legkisebb tömegű (esetleg tömeggel nem is rendelkező) neutrínók, és persze az sem kizárható, hogy jelenleg még ismeretlen részecskék jönnek létre a bomlás során.

Heeck az első, aki kísérletet tett a foton élettartamának meghatározására, de ahogy ő maga is mondja, számításai meglehetősen leegyszerűsítik a helyzetet. A becslés során figyelmen kívül hagyta például annak lehetőségét, hogy amennyiben a foton rendelkezik tömeggel, komoly hatással lehetnek rá az anyaggal való interakciók is, és ezek során megváltozhatnak a részecske tulajdonságai. Ezen kölcsönhatásokat is bevonva a képbe, a szakértő szerint a jövőben még pontosabb becslések vihetők véghez a foton minimális élettartamával kapcsolatban.

 

Forrás: ipon.hu


Hozzászólások

ugrás az oldal tetejére