Потенциальная революция физики: свет может иметь массу и ученые назвали ее верхний предел

22 июня 2024, 17:01

Источник:

Обычно мы описываем фотоны как безмассовые частицы. Эти неделимые количества энергии пролетают сквозь пространство-время с постоянной скоростью, не способные ускоряться или замедляться в вакууме. Эта постоянная скорость предполагает полное отсутствие массы, но мы не имеем никаких доказательств в пользу ни одного из утверждений. Или не имели до сих пор?

Команда из Сычуаньского университета науки и техники, Китайской академии наук и Нанкинского университета проанализировала данные, собранные с помощью массива синхронизации пульсаров Паркса, а также данные о быстрых радиовсплесках из ряда источников, чтобы определить, насколько тяжелым может быть свет.

Теория, ломающая все

Немного забегая вперед, мы имеем возможный верхний предел для массы света. Согласно измерениям пульсирующих звезд, разбросанных по Млечному Пути, и загадочных радиосигналов из других галактик, частица света не может быть тяжелее 9,52×10^-46 килограммов. Это крошечный предел, но обнаружение того, что свет вообще имеет какую-то массу, существенно повлияло бы на то, как мы интерпретируем Вселенную вокруг нас, и на наше понимание физики. Ненулевая масса имела бы глубокие последствия. Это противоречило бы специальной теории относительности Эйнштейна и электромагнитной теории Максвелла, а также, вероятно, привело бы к новой физике, давая ответы на некоторые гигантские вопросы о Вселенной, хотя и поставило бы их гораздо больше в процессе.

Если бы фотон имел массу, она должна была бы быть чрезвычайно мизерной, чтобы не иметь значительного влияния на возникновение Вселенной, а это означает, что у нас просто нет инструментов, чтобы измерить ее напрямую. Но мы можем провести косвенные измерения, которые дадут нам верхний предел для этой гипотетической массы, и это именно то, что сделала группа астрономов, использовав массив синхронизации пульсаров

Массив синхронизации пульсаров — это совокупность антенн радиотелескопов для наблюдения за нейтронными звездами, которые посылают пульсирующие пучки электромагнитного излучения на чрезвычайно точные миллисекундные пульсары. Быстрые радиовспышки — это чрезвычайно мощные всплески света неизвестного происхождения, которые регистрируются в огромных межгалактических пробелах космоса.

Свойство, которое исследовали ученые, известно как мера дисперсии, один из ключевых атрибутов пульсаров и быстрых радиовспышек. Она показывает, насколько сильно импульсный луч радиоизлучения рассеивается свободными электронами между нами и источником света.

Если бы фотоны имели массу, на их распространение через невакуумное пространство, заполненное плазмой, влияли бы как масса, так и свободные электроны в плазме. Это привело бы к определенному времени задержки, пропорциональному массе фотона.

Массив синхронизации пульсаров ищет задержки в синхронизации импульсов пульсаров относительно друг друга. В частности, в сверхшироком диапазоне частот эффекты дисперсии можно минимизировать, что позволяет исследователям вычислить, сколько задержек может вызвать гипотетическая масса фотона. Между тем рассеивание сигналов от быстрых радиоизлучений также может обнаружить задержку, пропорциональную массе фотона.

Тщательно изучив эти данные, команда смогла вывести их верхний предел в 9,52×10^-46 килограммов. Но не стоит спешить. Ученые сами говорят, что это вовсе не означает, что свет имеет массу. Это просто означает, что у нас есть новый предел, до которого свет мог бы достичь, если бы масса существовала.

Это впервые, когда взаимодействие между фотоном с ненулевой массой и плазменной средой была учтена и рассчитана при распространении фотона через плазменную среду,
– пишут авторы.

По словам астрономов, исследование демонстрирует потребность в высокоточных радиотелескопах. Мы вряд ли сможем взвесить фотон в ближайшее время, но получение стабильно качественных данных позволит нам еще больше сузить границы измерения, а вместе с ними и его потенциальное влияние на Вселенную вокруг нас.