Загальновідомий факт про нездоланність швидкості світла базується на науковій догмі про відсутність маси у фотонів. Фізики задумалися, а що якщо маса у цих всюдисущих частинок все-таки є, тільки вона дуже мала?

У теорії, якщо частинки світла не мають маси, то виходить, що вони безсмертні і ніколи не розпадаються на інші, більш легкі частинки. Якщо ж маса у них все-таки є, то на Всесвіт можна буде поглянути зовсім іншими очима.

Тут варто додати, що результати спостережень астрофізиків в останні десятиліття не виключають мінімального шансу наявності у фотона хоч який-небудь маси.

Нещодавно вчені звернулися до даних, зібраних за допомогою супутника COBE , Який вивчає фонове космічне випромінювання з 1989 року. Дослідники розрахували мінімальну тривалість життя фотона, грунтуючись на аналізі реліктового електромагнітного випромінювання , Яке утворилося через всього декілька сотень тисячоліть після Великого вибуху.

Згідно їхніми розрахунками, тривалість життя фотона повинна становити від квінтильйони (мільярд мільярдів) років до нескінченності. При цьому, якщо вірити Ейнштейну, то швидкість руху крізь простір обернено пропорційна швидкості руху в часі, це називається релятивістським уповільненням часу , Яке великий учений описав у своїй Спеціальної теорії відносності. Це означає, що якщо на Землі пройде квінтильйон років, то для фотона пройде всього три роки.

"Якщо фізикам коли-небудь вдасться довести, що фотон має масу, то всі наші уявлення про світло і його швидкості виявляться безглуздими", - вважає провідний автор останнього дослідження Юліан Хек ( Julian Heeck ) З Інституту ядерної фізики товариства Макса Планка.

Безумовно, нездоланний бар'єр швидкості світла буде як і раніше непорушний, але фотонам теж доведеться підкорятися певним законам природи. При наявності хоч мінімальної маси швидкість руху фотонів була б зумовлена ​​не тільки середовищем, а й довжиною хвилі: синє світло рухався б швидше червоного. І тоді одночасно випущені далекій зіркою фотони з різної довжини хвилі прибутку б в різний час на Землю.

Так як основна астрофізична теорія - стандартна модель - ґрунтується на переконанні про безмассового частинок світла, то її теж доведеться переписати. Але для вчених це хороша новина: вони давно мріють це зробити .

Закони взаємодії заряджених частинок і рівняння Максвелла , Що описують електромагнітні хвилі і поля, також зажадають певних модифікацій. Адже фотон є "переносником" електромагнітних сил.

Повертаючись до реальних спостереженнями, варто відзначити, що дослідження магнітного поля Сонця показали: якщо у фотона і є маса, то вона мізерно мала. Можлива цифра - 10-54 кг. Як ми вже зазначили вище, щоб визначити ліміт тривалості життя цих частинок, команда Хека уважно проаналізувала дані супутника COBE.

Світло ідеально вписується в модель випромінювання так званого абсолютно чорного тіла ( А ЧТ ), Яка підказує вченим, наскільки інтенсивним повинен бути світло при тій чи іншій довжині хвилі. Якщо хоч один фотон, що летить з іншого кінця Всесвіту, розпався б під час своєї подорожі, то дослідники помітили б нестиковку. Так, COBE зафіксував би більш низькоенергетичний (червоний) світло, ніж передбачається моделлю випромінювання АЧТ.

"Якщо фотон подолав дуже велику відстань, скажімо, від краю Всесвіту до Землі, то у нього було б достатньо часу, щоб розпастися на більш легкі частинки", - говорить Еммануель Берті ( Emanuele Berti ) З університету Міссісіпі, який не брав участі в роботі Хека, але займався вивченням гіпотетичної маси фотона.

Однак ніяких "нестиковок" COBE не зафіксував. Космічне мікрохвильове фонове випромінювання, схоже, поводиться як ідеальне АЧТ. Але фізики не втрачають надії. За їх словами, є ймовірність, що кілька фотонів все-таки розпалися по шляху до Землі. А якщо й ні, то тривалість життя фотона може бути просто більше, ніж вік всього Всесвіту - близько квінтильйони (1018) років. Самою ж Всесвіту всього 13,8 мільярда років.

Але якщо фотон гіпотетично здатний розпадатися, то на які частки? "Звичайно ж, це головне питання", - говорить Хек. глюони , Які, так само як і фотони, є калібрувальними бозонами, можуть бути результатом розпаду частинки світла. Також ними можуть бути і нейтрино , Які представлені в декількох варіантах - електронне, мюонне і тау.

"Якщо найлегше нейтрино (електронне) не володіє масою взагалі, то саме воно може бути результатом фотонного розпаду. Втім, це також може бути і інша, ще не відома науці частка", - пояснює Хек.

у статті вченого і його колег, опублікованій в журналі Physical Review Letters, гіпотеза про наявність маси у фотона описана з деякими узагальненнями. Наприклад, дослідники нехтують взаємодіями фотонів з матерією, які відбувалися відразу ж після того, як утворився космічний мікрохвильової фон.

У цьому випадку навіть мінімальна маса фотона зіграла б велику роль в цих взаємодіях і здобула б помітний ефект. Наприклад, частинки світла, поглинені міжзоряного матерією (газом) і випущені знову, поміняли б свої властивості. Берті вважає, що, незважаючи на те, що гіпотеза дуже цікава, ключ до розгадки ховається в таких деталях.

Хек також вважає, що необхідно брати до уваги взаємодії фотонів з матерією на ранніх етапах існування Всесвіту. Але для цього буде потрібно більше точних даних.

"Я не аналізував дані недавно запущених супутників, таких як WMAP , Лише з тієї причини, що в них відсутня інформація про температурах, яка необхідна для розуміння спектру випромінювання абсолютно чорного тіла ", - зазначає Хек.

Він і його колеги планують продовжувати своє дослідження, і, якщо воно дасть позитивні результати, то мрії про нову фізики нарешті здійсняться.

Також по темі:
Вчені близькі до розуміння того, звідки у речей береться маса
Німецький космолог висунув гіпотезу про нерозширення Всесвіту
Астрофізики створили карту рухів ближнього космосу
Вчені Німеччини і Росії зловили 100 тисяч заплутаних фотонів
Фізики з ICARUS: Ейнштейн все-таки мав рацію
Отримано найточніша карта космічного випромінювання в історії