Время жизни фотона

Самый древний свет — это электромагнитное излучение, испущенное раньше всех других типов излучения из тех, что мы можем сейчас наблюдать. Примерно известно, сколько времени летели фотоны этого света, хорошо известна их энергия, и этого достаточно, чтобы найти искомое время жизни.

Самым древним светом является реликтовое микроволновое излучение. За последние десятилетия несколько специальных спутников — РЕЛИКТ-1, COBE, WMAP, Planck — провели тщательные измерения этого излучения и составили его подробные карты. Это излучения лежит в определенном диапазоне длин волн, а значит, его фотоны обладают энергией в определенном диапазоне.

После этого остается понять, во сколько раз эта энергия больше предполагаемой массы фотона и как релятивистское замедление времени зависит от энергии частицы.

Характеристики реликтового излучения легко находятся в сети (см., например, Википедию, статью на Астронете, заметку про WMAP, астрокартинку дня про результаты Planck, информацию с плаката про ЭМ-излучение). Реликтовое излучение представляет собой «снимок Вселенной», когда прошло всего 380 тыс. лет после Большого взрыва, что много меньше нынешнего возраста Вселенной (13,8 млрд лет). Поэтому «возраст» этого света можно принять равным возрасту Вселенной, то есть примерно 10¹⁰ лет (в оценках по порядку величины численными коэффициентами порядка 2 можно пренебрегать).

За эти 10¹⁰ лет свет не только совсем не распался, но даже и близко не начал распадаться. Действительно, спутники WMAP и Planck не просто увидели реликтовое излучение, они измерили его с точностью 10^–4, и именно с такой точностью его сложный спектр вполне согласуется с современными космологическими моделями. Поэтому можно смело считать, что время жизни реликтовых микроволновых фотонов как минимум на 4 порядка больше этого значения, то есть не меньше 10¹⁴ лет.

Его нынешняя температура составляет примерно 2,7 кельвина, что соответствует энергии одного фотона примерно 0,23 мэВ (миллиэлектронвольт). Конечно, раньше эта температура была выше — по мере расширения Вселенной это излучение остывает. Для грубой оценки можно принять, что средняя температура за всё время составляла примерно 1 мэВ. Если гипотетическую массу (а точнее, энергию покоя mc²) фотона принять равной 10^–18 эВ, то релятивистский параметр γ = E/mc² ≈ 10¹⁵.

Поскольку время существования нестабильной релятивистской частицы равно t = γt₀, где t₀ и есть искомое собственное время жизни частицы, мы приходим к результату: фотон с такой массой должен обладать временем жизни t₀ больше одного месяца.

Предложенная здесь задача была, по-видимому, впервые детально проанализирована в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters буквально несколько дней назад (How Stable is the Photon? // Phys.Rev.Lett. 111, 021801 (2013); полный текст доступен в архиве епринтов arXiv:1304.2821). Более аккуратный расчет показал, что вместо 1 месяца ограничение можно увеличить до 3 лет, а также привел дополнительно к независимому ограничению на массу фотона. На рис. 2 показан окончательный результат этой статьи — область исключенных и разрешенных значений массы и времени жизни в логарифмическом масштабе.

Рис. 2. Области исключенных и разрешенных значений массы и комбинации массы, деленной на время жизни, в логарифмическом масштабе. Величина t₀ здесь — это возраст Вселенной. Изображение из статьи arXiv:1304.2821

Возможно, полученный ответ может поначалу удивить: как же так, ведь мы точно знаем, что ЭМ-излучение живет намного дольше! Но не стоит забывать, что все виды излучения, которые мы до сих пор детектировали, даже низкочастотные радиоволны, имеют энергию фотона на несколько порядков больше его гипотетической массы. Для того, чтобы такие фотоны стали нерелятивистскими, нужно уменьшить эту энергию до 10^–18 эВ, что отвечает ЭМ-волне с периодом четверть часа и длиной волны в треть миллиарда километров. Вот если мы сумеем зарегистрировать ЭМ-волны такого типа, причем гарантированно приходящие к нам не из окрестностей солнечной системы и даже не от ближайших звезд, а из глубокого космоса, тогда эту оценку можно будет существенно улучшить.

Другой важный момент: стоит помнить, что эта оценка относится к выбранной массе 10^–18 эВ. Если взять еще меньшую массу, то γ-фактор станет еще больше, а значит, нижняя граница на время жизни фотона уменьшится. Например, при массе 10^–26 эВ собственное время жизни фотона может вообще составлять 1 секунду, и это не будет противоречить никаким экспериментальным данным! Правда, в этом случае вылезают уже чисто теоретические сложности: «ширина» фотона как резонанса становится намного больше его массы, поэтому все фотоны, даже испущенные на краю Вселенной, уже потребуется считать виртуальными, а не реальными частицами. Но экспериментаторов такие детали обычно не беспокоят.

На самом деле, в нашем решении мы закрыли глаза на большое число тонких эффектов, которые обсуждались в статье в Phys. Rev. Lett. Например, наличие у фотонов массы может привести к иному закону остывания фотонного газа в расширяющейся Вселенной. Правда, полученные ограничения на массу (они видны на рис. 2) оказались намного слабее уже имевшихся. Другой эффект состоит в том, что, когда свет летит не в вакууме, а в газе или плазме, он перестает быть свободным фотоном и приобретает некую эффективную массу. Космическая плазма, конечно, очень разрежена, поэтому и масса получится мизерной, но вполне вероятно, что она может оказаться и побольше того значения, которое мы использовали. Точного анализа пока не проведено, и если это окажется так, то оценку придется пересмотреть.