Насколько тяжелой может быть частица света? Ученые только что выяснили это

У нас есть новый верхний предел массы света.

Согласно измерениям пульсирующих звезд, разбросанных по Млечному Пути, и загадочным радиосигналам из других галактик, частица света, называемая фотоном, — может быть не тяжелее 9,52 × 10^-46 килограммов.

Это крошечный предел, но обнаружение того, что свет вообще имеет массу, существенно повлияет на то, как мы интерпретируем Вселенную вокруг нас. и наше понимание физики.

Фотоны обычно описываются как безмассовые частицы. Эти дискретные количества энергии носятся в пространстве-времени с постоянной скоростью, неспособной ускоряться или замедляться в вакууме. Эта постоянная скорость подразумевает отсутствие массы, и нет доказательств обратного.

Однако мы не знаем с абсолютной уверенностью, что фотоны безмассовы.

Ненулевая масса будет иметь глубокие последствия. Это противоречило бы специальной теории относительности Эйнштейна и электромагнитной теории Максвелла, что, вероятно, привело бы к новой физике и, возможно, ответило бы на некоторые гигантские вопросы о Вселенной (хотя в процессе возникло бы гораздо больше).

Если бы фотон действительно имел массу , она должна быть чрезвычайно маленькой, чтобы не оказывать серьезного влияния на то, как возникла Вселенная, а это означает, что у нас просто нет инструментов для ее прямого измерения.

Но мы можем провести косвенные измерения, которые даст нам верхний предел этой гипотетической массы, и это именно то, что сделала группа астрономов.

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

Группа синхронизации пульсаров — это массив антенн радиотелескопа для мониторинга нейтронных звезд, которые посылать импульсные лучи электромагнитного излучения на чрезвычайно точные миллисекундные пульсары. Быстрые радиовсплески — это чрезвычайно мощные вспышки света неизвестного происхождения, которые обнаруживаются в обширных межгалактических заливах космоса.

Свойство, которое исследовали исследователи, известно как мера дисперсии, одна из ключевых характеристик пульсаров и быстрых радиовсплески. Это относится к тому, насколько плотно импульсный луч радиосвета рассеивается свободными электронами между нами и источником света.

Если фотоны имеют массу, это повлияет на их распространение через невакуумное пространство, населенное плазмой. как массой, так и свободными электронами в плазме. Это приведет к времени задержки, пропорциональному массе фотона.

Матрица синхронизации пульсаров ищет задержки во времени импульсов пульсаров относительно друг друга. Эффекты дисперсии могут быть сведены к минимуму, особенно в сверхширокой полосе пропускания, что позволяет исследователям рассчитать, какую задержку может внести гипотетическая масса фотона.

Между тем, дедисперсия сигналов от быстрых радиовсплесков также может выявить задержка пропорциональна массе фотона.

Тщательно изучив эти данные, команда смогла вывести верхний предел в 9,52 × 10^-46 килограммов (или, в эквивалентной энергии, 5,34 × 10^-10электронвольт c^-2). Обратите внимание: это не означает, что фотон имеет массу; это просто означает, что у нас есть новая граница, куда масса могла бы упасть, если бы она существовала.

«Впервые, — пишут авторы, — взаимодействие между фотоном ненулевой массы и плазмой среда была учтена и рассчитана при распространении фотона через плазменную среду».

Это ненамного меньше, чем измерение, опубликованное в 2023 году, но это уточнение. Это означает, что ученые, исследующие эффекты гипотетической массы фотона, имеют более точный диапазон для работы.

Исследование также демонстрирует, по словам астрономов, необходимость в высокоточных радиотелескопах. Вряд ли мы сможем взвесить фотон в ближайшее время, но получение постоянно более качественных данных позволит нам еще больше сузить измерение, а вместе с ним и его потенциальное влияние на Вселенную вокруг нас.

Исследование опубликовано в Астрофизическом журнале.