Потенційна революція у фізиці: вчені заявили, що світло може мати масу й назвали її верхню межу

Команда з Сичуаньського університету науки і техніки, Китайської академії наук і Нанкінського університету проаналізувала дані, зібрані за допомогою масиву синхронізації пульсарів Паркса, а також дані про швидкі радіосплески з ряду джерел, щоб визначити, наскільки важким може бути світло.

Дивіться також Що таке швидкість світла і що вимірюють світловими роками

Теорія, що ламає все

Трохи забігаючи наперед, ми маємо можливу верхню межу для маси світла. Згідно з вимірюваннями пульсуючих зірок, розкиданих по Чумацькому Шляху, і загадкових радіосигналів з інших галактик, частинка світла не може бути важчою за 9,52×10^-46 кілограмів. Це крихітна межа, але виявлення того, що світло взагалі має якусь масу, суттєво вплинуло б на те, як ми інтерпретуємо Всесвіт навколо нас, і на наше розуміння фізики. Ненульова маса мала б глибокі наслідки. Це суперечило б спеціальній теорії відносності Ейнштейна та електромагнітній теорії Максвелла, а також ймовірно, призвело б до нової фізики, даючи відповіді на деякі гігантські питання про Всесвіт, хоча й поставило б їх набагато більше у процесі.

Якби фотон мав масу, вона мала би бути надзвичайно мізерною, щоб не мати значного впливу на виникнення Всесвіту, а це означає, що у нас просто немає інструментів, щоб виміряти її безпосередньо. Але ми можемо провести непрямі вимірювання, які дадуть нам верхню межу для цієї гіпотетичної маси, і це саме те, що зробила група астрономів, використавши масив синхронізації пульсарів

Масив синхронізації пульсарів — це сукупність антен радіотелескопів для спостереження за нейтронними зорями, які посилають пульсуючі пучки електромагнітного випромінювання на надзвичайно точні мілісекундні пульсари. Швидкі радіоспалахи — це надзвичайно потужні сплески світла невідомого походження, які реєструються у величезних міжгалактичних прогалинах космосу.

Властивість, яку досліджували вчені, відома як міра дисперсії, один з ключових атрибутів пульсарів і швидких радіоспалахів. Вона показує, наскільки сильно імпульсний промінь радіовипромінювання розсіюється вільними електронами між нами і джерелом світла.

Якби фотони мали масу, на їхнє поширення через невакуумний простір, заповнений плазмою, впливали б як маса, так і вільні електрони в плазмі. Це призвело б до певного часу затримки, пропорційного масі фотона.

Масив синхронізації пульсарів шукає затримки в синхронізації імпульсів пульсарів відносно один одного. Зокрема, в надширокому діапазоні частот ефекти дисперсії можна мінімізувати, що дозволяє дослідникам обчислити, скільки затримок може спричинити гіпотетична маса фотона. Тим часом розсіювання сигналів від швидких радіовипромінювань також може виявити затримку, пропорційну масі фотона.

Ретельно вивчивши ці дані, команда змогла вивести їхню верхню межу в 9,52×10^-46 кілограмів. Але не варто поспішати. Вчені самі кажуть, що це зовсім не означає, що світло має масу. Це лише означає, що ми маємо нову межу, до якої світло могло би заважити, якби маса існувала.

Це вперше, коли взаємодія між фотоном з ненульовою масою і плазмовим середовищем була врахована і розрахована при поширенні фотона через плазмове середовище,
– пишуть автори.

Дивіться також Чому світлячки світяться в темряві?

За словами астрономів, дослідження демонструє потребу у високоточних радіотелескопах. Ми навряд чи зможемо зважити фотон найближчим часом, але отримання стабільно якісних даних дозволить нам ще більше звузити межі вимірювання, а разом з ними і його потенційний вплив на Всесвіт навколо нас.