Ученые установили новый верхний предел массы света. Изучая пульсирующие звезды, разбросанные по всему Млечному Пути, и таинственные радиосигналы из других галактик, астрономы пришли к выводу, что частица света, называемая фотоном, не может весить больше 9,52 × 10-46 килограмма. Это невероятно малая величина, но если бы выяснилось, что свет все-таки обладает массой, это перевернуло бы наше представление о Вселенной и физике в целом.
Обычно фотоны описываются как безмассовые частицы. Эти кванты энергии несутся сквозь пространство-время с постоянной скоростью, не ускоряясь и не замедляясь в вакууме. Постоянная скорость подразумевает отсутствие массы, и пока нет доказательств обратного. Однако мы не можем быть абсолютно уверены в том, что фотоны действительно безмассовые.
Наличие у них массы имело бы колоссальные последствия. Это противоречило бы специальной теории относительности Эйнштейна и электромагнитной теории Максвелла, что, вероятно, привело бы к появлению новой физики и, возможно, дало бы ответы на некоторые фундаментальные вопросы о Вселенной (хотя и поставило бы множество новых).
Если бы фотон обладал массой, она должна была бы быть чрезвычайно мала, чтобы не оказывать существенного влияния на наблюдаемую нами Вселенную. Это означает, что у нас просто нет инструментов для ее прямого измерения. Однако мы можем проводить косвенные измерения, которые дадут нам верхний предел этой гипотетической массы, и именно это и сделала группа астрономов.
Команда из Сычуаньского университета науки и инженерии, Китайской академии наук и Нанкинского университета проанализировала данные, собранные массивом радиотелескопов Parkes Pulsar Timing Array, а также данные о быстрых радиовсплесках из различных источников, чтобы определить максимально возможную массу света.
Массив Parkes Pulsar Timing Array – это сеть радиотелескопов, предназначенная для наблюдения за нейтронными звездами, излучающими пульсирующие пучки электромагнитного излучения с невероятно точной периодичностью в миллисекунды. Быстрые радиовсплески – это чрезвычайно мощные импульсы света неизвестного происхождения, которые регистрируются на огромных межгалактических расстояниях.
Свойство, которое исследовали ученые, называется мерой дисперсии – это один из ключевых параметров пульсаров и быстрых радиовсплесков. Он показывает, насколько сильно рассеивается узконаправленный пучок радиоизлучения свободными электронами, находящимися между нами и источником света. Если фотоны обладают массой, то на их распространение в невакуумном пространстве, заполненном плазмой, будет влиять как масса фотонов, так и свободные электроны в плазме. Это приведет к задержке сигнала, пропорциональной массе фотона.
Массив Parkes Pulsar Timing Array ищет задержки во времени прихода импульсов от разных пульсаров. В особенно широком диапазоне частот эффекты дисперсии можно минимизировать, что позволяет исследователям рассчитать, какая часть задержки может быть обусловлена гипотетической массой фотона. Аналогичным образом, анализ дисперсии сигналов быстрых радиовсплесков также может выявить задержку, пропорциональную массе фотона.
Тщательно изучив эти данные, команда смогла получить новый верхний предел массы фотона, равный 9,52 × 10-46 килограмма (или, в эквивалентной энергии, 5,34 × 10-10 электронвольт c-2). Важно отметить, что это не означает, что фотон действительно обладает массой; это лишь означает, что мы установили новую границу, в пределах которой может находиться масса фотона, если она существует.
“Впервые”, – пишут авторы, – “было учтено и рассчитано взаимодействие ненулевой массы фотона с плазменной средой при распространении фотона через нее”.
Полученный результат ненамного меньше, чем значение, опубликованное в 2023 году, но он является более точным. Это означает, что у ученых, исследующих последствия гипотетической массы фотона, появился более узкий диапазон для работы.
Исследование также демонстрирует, по словам астрономов, необходимость в высокоточных радиотелескопах. Маловероятно, что мы сможем взвесить фотон в ближайшее время, но получение более качественных данных позволит нам еще больше сузить пределы измерений и, следовательно, точнее оценить потенциальное влияние массы фотона на окружающую нас Вселенную.
Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal.
Читайте также: Новый квантовый двигатель, работающий на запутанности ионов
