Получено новое доказательство электронейтральности фотона

Орбитальная астрономическая станция HALCA вместе с сетью наземных телескопов представляет собой гигантский радиотелескоп, диаметром больше диаметра Земли. На основании накопленных программой VSOP данных по интерференции между сигналами от далеких галактик Брет Алтшуль вывел верхнюю границу заряда фотона. Изображение с сайта www.vsop.isas.jaxa.jp

Физик из Индианского университета Брет Альтшуль (Brett David Altschul) вновь подтвердил, что кванты электромагнитного излучения не несут электрических зарядов. Его работа «Верхняя граница заряда фотона, выведенная из фазовой когерентности галактического излучения» 29 июня появилась в журнале Physical Review Letters.

Как известно, с точки зрения классической электродинамики электромагнитное излучение является чисто волновым процессом и, согласно уравнениям Максвелла, не несет электрических зарядов. Однако в квантовой электродинамике носителями этого излучения являются специфические частицы, фотоны, которые не имеют массы покоя и потому в любой системе отсчета распространяются со скоростью света. Квантовая электродинамика возникла как обобщение теории Максвелла, которое не отменило концепцию электронейтральности фотонов. Однако в принципе можно предположить, что такая экстраполяция уравнений Максвелла на квантовую область не вполне правомерна и фотоны всё же могут нести электрические заряды того или иного знака. Очевидно также, что эти заряды (если они есть) чрезвычайно малы, иначе физики их давно бы обнаружили.

Гипотеза фотонного заряда неоднократно проверялась, каждый раз с отрицательным результатом. Все эти опыты показывали, что если такие заряды и существуют, они составляют пренебрежимо малую часть заряда электрона, причем каждый новый эксперимент уменьшал оценку верхней границы фотонного заряда сразу на несколько порядков. Тем не менее, их продолжали ставить, и отнюдь не только из-за любви к точности. Открытие у фотона даже крошечного заряда заставило бы полностью пересмотреть фундаментальные основы микрофизики и к тому же внесло бы существенные коррективы в наше понимание ранней истории Мироздания. В первые мгновения существования нашей Вселенной, когда плотность и энергия частиц были чрезвычайно высоки, сколь угодно слабо заряженные фотоны взаимодействовали бы со своим окружением с такой интенсивностью, которая не могла бы не проявиться в ее последующей эволюции. К тому же подобные эксперименты иногда заканчиваются успехом. Стоит напомнить, что нейтрино свыше полувека считали безмассовой частицей, однако в конце прошлого столетия физики пришли к убеждению, что оно всё же обладает ненулевой массой.

До сих пор считалось доказанным, что фотонный заряд во всяком случае не превышает 10^–33 заряда электрона. Брет Альтшуль снизил этот предел сразу на 13 порядков. Его выводы основываются на данных, накопленных в ходе осуществления радиоастрономической программы VSOP (VLBI Space Observatory Programme) в 1997-2005 годах. В ее рамках была проведена серия измерений радиоизлучения далеких галактик, которое детектировалось как наземными радиотелескопами, так и аппаратурой орбитальной станции HALCA (Highly Advanced Laboratory for Communications and Astronomy). Поскольку излучение каждой отдельной галактики регистрировалось сразу несколькими приемниками, астрономы были в состоянии измерить интерференцию между сигналами, что позволило получить более четкие изображения объектов (это стандартный метод радиоастрономии).

Этими данными и воспользовался Альтшуль. Интерференция возможна только между когерентными фотонами. Если бы фотоны несли электрический заряд, они взаимодействовали бы с земным магнитным полем, причем такое взаимодействие меняло бы фазу их волновой функции (это одно из проявлений квантовомеханического эффекта Ааронова—Бома). Поэтому к разным приемникам приходили бы фотоны с неодинаковыми фазами, степень когерентности которых была бы ниже, чем в случае их полной электронейтральности. Анализ накопленной информации с учетом только лишь этих соображений показал, что заряд фотона уступает заряду электрона в 10^–32 раз.

Если бы Альтшуль этим и ограничился, его результат не представлял бы особого интереса, поскольку предыдущая оценка всё же в 10 раз меньше. Однако он рассуждал тоньше. Сейчас фотоны считаются истинно нейтральными частицами, полностью тождественными своим античастицам (этим же свойством обладают нейтральные пионы, гравитоны и еще некоторые обитатели микромира). Но заряженный фотон просто обязан обладать антифотоном, несущим электрический заряд противоположного знака. В таком случае фотоны и антифотоны были бы разными частицами, не способными к квантовой интерференции. Учет этого обстоятельства позволил сильно снизить верхний предел фотонного заряда. Из вычислений Альтшуля следует, что он не может быть больше 10^–46 заряда электрона. Что и требовалось доказать.

Источник: Brett Altschul. Bound on the Photon Charge from the Phase Coherence of Extragalactic Radiation // Phys. Rev. Lett. 98, 261801 (2007). См. также arXiv:hep-ph/0703126.

Алексей Левин

Последние новости: Физика, Астрономия, Алексей Левин