32. Время жизни фотона
Этот раздел нашей книги не зря называется «Микромир и космос». Поведение Вселенной на астрономических масштабах и самые глубинные законы микромира на мельчайших расстояниях тесно связаны друг с другом. Это не шутка и не преувеличение, а реально работающий закон нашего мира. Совершенно поразительная связь между двумя безумно далекими краями масштабной шкалы до сих пор приводит в восхищение физиков, и они снова и снова находят новые ее проявления. В этой и последующих задачах мы с вами тоже увидим несколько применений этого удивительного закона мироздания.
Одна из главных задач экспериментальной физики — проверять предположения теоретиков о том, как устроен и функционирует наш мир. Причем касается эта проверка не только гипотетических теорий и спорных предположений, но и самых, казалось бы, «железобетонных» утверждений. И пусть для теоретиков они выглядят совершенно неизбежными, но задача экспериментатора — используя весь инструментарий современной науки, напрямую убедиться, что эти утверждения не противоречат опыту.
Взять, к примеру, фотоны — кванты электромагнитного поля. В современной физике считается, что фотоны безмассовы и не обладают электрическим зарядом. Для подавляющего большинства теоретиков иначе и быть не может: то, как возникают электромагнитные взаимодействия в теоретической физике, не оставляет других возможностей. Кроме того, даже небольшое отклонение массы или заряда фотона от нуля приведет к совершенно необычным эффектам, которые мы в эксперименте не наблюдаем. Поэтому если фотон и обладает ненулевой массой или зарядом, то они должны быть совершенно ничтожны.
Но насколько ничтожны? Каковы ограничения сверху на эти величины? На этот вопрос должна ответить экспериментальная физика — вкупе с астрофизическими наблюдениями, которые тут играют главную роль. Сводка всех имеющихся на сегодняшний день данных такова: масса менее 10−18 эВ, заряд по модулю — менее 10−35 от заряда электрона.
А что можно сказать про еще одну важную величину — время жизни фотона? Ведь если фотону разрешено иметь ненулевую массу, пусть даже и ничтожно маленькую, то он, в принципе, может распадаться на еще более легкие частицы — мало ли какие экзотические варианты тут возможны! А если фотон способен распадаться, то он становится нестабильной частицей и поэтому характеризуется своим средним временем жизни.
Во избежание недоразумений в дальнейшем сразу подчеркнем две вещи. Во-первых, речь идет о времени жизни до спонтанного распада свободного фотона в вакууме. В обычных условиях фотоны, конечно, могут жить очень недолго — от момента испускания до момента поглощения. Но это не относится к свойствам самого фотона, это просто те ограниченные внешние условия, в которые поместили фотон. Нас же интересует именно «личное» время жизни фотона как уединенной, ничем не поглощенной частицы. Время жизни свое, собственное.
Во-вторых, договоримся о терминологии. Численная характеристика «время жизни» выражает длительность существования частицы в ее системе покоя. В другой системе отсчета, в которой частица движется с релятивистской скоростью, время до распада увеличивается за счет эффекта замедления времени, одного из базовых эффектов теории относительности. Например, когда говорится, что у мюона время жизни две микросекунды, имеется в виду именно покоящийся мюон. Мюоны высокой энергии живут намного дольше, и именно поэтому мюоны, образовавшиеся где-то в верхних слоях атмосферы, могут долететь до Земли.
Итак, предположим, что фотоны не безмассовы, а обладают массой, равной допустимой на сегодня верхней границе. Если перебрать известные сейчас астрофизические данные, можно найти «самый древний свет» — то есть фотоны, которые летели до нас дольше всех и тем не менее не распались.
Задача
Опираясь на приведенные выше намеки, оцените, каким может быть время жизни фотонов такой массы.
