Aká ťažká môže byť častica svetla? Vedci práve objavili: ScienceAlert

Máme novú hornú hranicu hmotnosti svetla.

Častica svetla – nazývaná fotón – nemôže byť hmotnejšia ako 9,52 × 10, podľa meraní pulzujúcich hviezd rozptýlených po celej Mliečnej dráhe a záhadných rádiových signálov z iných galaxií.^-46 Kilogram.

Je to malé obmedzenie, ale zistenie, že svetlo má akúkoľvek hmotnosť, bude mať významný vplyv na spôsob, akým interpretujeme vesmír okolo nás a na naše chápanie fyziky.

Fotóny sú všeobecne opísané ako častice bez hmotnosti. diskrétne množstvo energie Pohybuje sa konštantnou rýchlosťou v časopriestore, nedokáže sa vo vákuu zrýchliť ani spomaliť. Táto konštantná rýchlosť naznačuje bezhmotnosť a neexistuje žiadny dôkaz o opaku.

Nevieme však s istotou, že fotóny sú bezhmotné.

Nenulová hmotnosť by mala hlboké dôsledky. To by odporovalo Einsteinovej špeciálnej teórii relativity a Maxwellova elektromagnetická teóriaPravdepodobne to povedie k novej fyzike a možno odpovie na niektoré veľké otázky o vesmíre (aj keď v procese vyvolá oveľa viac otázok).

Aj keby mal fotón hmotnosť, musel by byť extrémne malý, aby nemal žiadny významný vplyv na štruktúru vesmíru, čo znamená, že nemáme nástroje na jeho priame meranie.

Môžeme však vykonať nepriame merania, ktoré nám poskytnú hornú hranicu tejto hypotetickej hmotnosti, a skupina astronómov to urobila.

Tím z Sichuanskej univerzity vedy a inžinierstva, Čínskej akadémie vied a Nanjingskej univerzity analyzoval údaje zozbierané pomocou Parkes Pulsar Timing Array a údaje o intenzívnych rádiových zábleskoch z rôznych zdrojov, aby určil, aké masívne môže byť svetlo.

Pulsar Timing Array je sústava antén rádiového teleskopu, ktoré monitorujú neutrónové hviezdy vysielaním pulzujúcich lúčov elektromagnetického žiarenia na extrémne presné milisekundové pulzary. Rýchle rádiové záblesky sú mimoriadne silné záblesky svetla neznámeho pôvodu pozorované v obrovskom medzigalaktickom vesmírnom zálive.

Vlastnosť, ktorú výskumníci skúmali, je tzv meranie rozptyluJedna z kľúčových vlastností pulzarov a rýchlych rádiových impulzov. Ukazuje, ako ďaleko je intenzívne pulzný lúč rádiového svetla rozptýlený voľnými elektrónmi medzi nami a zdrojom svetla.

Ak majú fotóny hmotnosť, ich šírenie vo nevákuovom priestore vyplnenom plazmou bude ovplyvnené tak hmotnosťou, ako aj voľnými elektrónmi prítomnými v plazme. To spôsobí, že čas oneskorenia bude úmerný hmotnosti fotónu.

Pulsar Timing Array hľadá časové oneskorenie pulzarových impulzov voči sebe navzájom. Najmä v rámci ultraširokej šírky pásma je možné minimalizovať disperzné efekty, čo umožňuje výskumníkom vypočítať, koľko oneskorenia môže prispieť hypotetická hmotnosť fotónu.

Medzitým sa šíriace signály z intenzívnych rádiových impulzov môžu detegovať aj s oneskorením úmerným hmotnosti fotónu.

Pozorným preštudovaním týchto údajov bol tím schopný odvodiť svoju hornú hranicu 9,52 × 10^-46 kilogram (alebo v energetickom ekvivalente 5,34 × 10^-10 elektrónvolt C^-2) Všimnite si, že to neznamená, že fotón má hmotnosť; Znamená to len, že máme nový limit, do ktorého môže hmotnosť spadnúť, ak existuje.

„toto je prvý krát,“ píše autor„Interakcia medzi nenulovou hmotnosťou fotónov a plazmovým médiom sa berie do úvahy a vypočíta sa ako difúzia fotónov cez plazmové médium.“

Nie je to oveľa menej ako meranie Publikované v roku 2023Ale toto je vylepšenie. To znamená, že vedci, ktorí skúmajú účinky hypotetickej fotónovej hmoty, majú presnejší limit, s ktorým môžu pracovať.

Astronómovia tvrdia, že štúdia tiež ukazuje potrebu vysoko presných rádioteleskopov. V blízkej budúcnosti možno nebudeme môcť vážiť fotón, ale neustále získavanie vysokokvalitných údajov nám umožní robiť merania ešte ďalej, ako aj preskúmať jeho potenciálne účinky na vesmír okolo nás.

Tento výskum bol publikovaný v roku 2014. Astrofyzikálny časopis,