Действительно ли фотоны вечные?

Во всей Вселенной лишь несколько частиц вечно стабильны. Фотон, квант света, имеет бесконечное время жизни. Или нет?

Одна из самых стойких идей во всей Вселенной заключается в том, что всё, что существует сейчас, когда-нибудь прекратит своё существование. Звёзды, галактики и даже чёрные дыры, занимающие пространство нашей Вселенной, когда-нибудь сгорят, потускнеют и распадутся, перейдя в состояние, которое мы называем «тепловой смертью»: когда из равномерного, равновесного состояния с максимальной энтропией невозможно будет извлечь энергию никаким способом. Но, возможно, из этого общего правила есть исключения, и некоторые вещи действительно будут жить вечно.

Одним из таких кандидатов в действительно стабильные сущности является фотон — квант света. Всё электромагнитное излучение, существующее во Вселенной, состоит из фотонов, а фотоны, насколько мы можем судить, имеют бесконечное время жизни. Значит ли это, что свет действительно будет жить вечно? Ответить на этот вопрос не так-то просто. Мы можем представить себе обстоятельства, при которых они действительно будут жить вечно, но мы также можем представить себе случаи, когда они распадаются, превращаются в другие частицы или даже превращаются в нечто новое или неожиданное. Это большой и интересный вопрос, который ставит нас на грань всего, что мы знаем о Вселенной. Вот лучший ответ, который есть у науки на сегодняшний день.

Впервые вопрос о том, что фотон имеет конечное время жизни, возник по очень веской причине: мы только что обнаружили ключевое доказательство расширяющейся Вселенной. Спиральные и эллиптические туманности в небе оказались галактиками, или, как их тогда называли, «островными вселенными», далеко выходящими за пределы Млечного Пути. Эти скопления миллионов, миллиардов или даже триллионов звёзд располагались на расстоянии не менее миллионов световых лет, что позволяло отнести их далеко за пределы Млечного Пути. Более того, быстро выяснилось, что эти далёкие объекты не просто далеки, а, похоже, удаляются от нас, поскольку чем больше они удалялись, тем больше свет от них оказывался систематически смещён в сторону более красных и более длинных волн.

Конечно, к тому времени, когда эти данные стали широко доступны в 1920-1930-х годах, мы уже узнали о квантовой природе света, которая показала нам, что длина волны света определяет его энергию. Мы также хорошо знали специальную и общую теории относительности, из которых следовало, что, как только свет покидает свой источник, он может изменить свою частоту, только:

• из-за взаимодействия с какой-либо формой материи и/или энергии,

• из-за движения наблюдателя либо к нему, либо от него,

• из-за изменения свойств кривизны самого пространства, например, в результате гравитационного красного/голубого смещения или расширения/сжатия Вселенной.

Первое потенциальное объяснение, в частности, привело к формулировке увлекательной альтернативной космологии: космологии усталого света.

Впервые сформулированная в 1929 году Фрицем Цвикки — да, тем самым Фрицем Цвикки, который придумал термин «сверхновая», впервые сформулировал гипотезу тёмной материи и однажды пытался «успокоить» турбулентный атмосферный воздух, стреляя из винтовки в трубу телескопа, — гипотеза усталого света выдвинула идею о том, что распространяющийся свет теряет энергию в результате столкновений с другими частицами, присутствующими в пространстве между галактиками. Чем больше пространство, через которое свет распространяется, тем больше энергии теряется в результате этих взаимодействий, и именно это, а не особые скорости или космическое расширение, объясняет, почему свет кажется более сильно красным для более удалённых объектов.

Однако для того, чтобы этот сценарий выполнялся, должны быть верны два предсказания.

1. Когда свет проходит через среду, даже разреженную, он замедляется от скорости света в вакууме до скорости света в этой среде. Это замедление влияет на свет разных частот в разной степени. Подобно тому как свет, проходящий через призму, расщепляется на разные цвета, свет разных длин волн, проходящий через межгалактическую среду, которая взаимодействовала с ним, должен замедляться по-разному. Когда этот свет снова попадёт в настоящий вакуум, он снова будет двигаться со скоростью света в вакууме.

И всё же, наблюдая за светом, исходящим от источников на разных расстояниях, мы не обнаружили зависимости длины волны от величины красного смещения, которое демонстрирует свет. Напротив, на всех расстояниях все длины волн излучаемого света смещаются точно на такой же коэффициент, как и все остальные; никакой зависимости от длины волны для красного смещения не существует. Из-за этого нулевого наблюдения первое предсказание космологии усталого света опровергнуто.

Но есть и второе предсказание, с которым тоже нужно считаться.

2. Если более удалённый свет теряет больше энергии, проходя большее расстояние по «среде с потерями», чем менее удалённый свет, то более удалённые объекты должны казаться размытыми на всё большую и большую величину, чем менее удалённые. И снова, когда мы проверяем это предсказание, мы обнаруживаем, что оно совершенно не подтверждается наблюдениями. Более удалённые галактики при наблюдении рядом с менее удалёнными галактиками выглядят такими же чёткими и с высоким разрешением, как и менее удалённые. Это справедливо, например, для всех пяти галактик в квинтете Стефана, а также для фоновых галактик, видимых за всеми пятью членами квинтета. Это предсказание также оказалось опровергнутым.

Хотя эти наблюдения достаточно хороши, чтобы опровергнуть гипотезу усталого света — и, по сути, они были достаточно хороши, чтобы опровергнуть её сразу же, как только она была предложена, — это лишь один из возможных вариантов того, как свет может быть нестабильным. Свет может либо угаснуть, либо превратиться в какую-то другую частицу, и есть несколько интересных способов рассмотреть эти возможности.

Первый вытекает просто из того факта, что у нас есть космологическое красное смещение. Каждый порождённый фотон, независимо от того, как он был порождён — термически, в результате квантового перехода или любого другого взаимодействия, — будет распространяться по Вселенной, пока не столкнётся и не вступит во взаимодействие с другим квантом энергии. Но если речь идёт о фотоне, испущенном в результате квантового перехода, то, если он не сможет довольно быстро вступить в обратную квантовую реакцию, он начнёт путешествовать по межгалактическому пространству, причём его длина волны будет увеличиваться из-за расширения Вселенной по мере путешествия. Если ему не повезёт, и его не поглотит какой-нибудь атом в квантовом связанном состоянии с подходящей допустимой частотой перехода, он будет всё дальше и дальше уходить в красную часть спектра, пока не перейдёт рубеж максимальной длины волны, после которой его уже нельзя будет поглотить.

Однако есть и второй набор возможностей, который существует для всех фотонов: они могут провзаимодействовать со свободной квантовой частицей, вызвав один из множества эффектов.

Это может быть, например, рассеяние, когда заряженная частица — обычно электрон — поглощает, а затем вновь излучает фотон. При этом происходит обмен энергией и импульсом, и либо заряженная частица, либо фотон могут достичь более высокого уровня энергии за счёт того, что у другой частицы останется меньше этой энергии.

При достаточно высоких энергиях столкновение фотона с другой частицей — даже с другим фотоном, если энергия достаточно высока, — может спонтанно привести к образованию пары частица-античастица, если имеется достаточно энергии для того, чтобы они обе прошли через эйнштейновское E = mc². На самом деле, космические лучи с самой высокой энергией могут делать это даже с фотонами с удивительно низкой энергией, которые являются частью реликтового излучения (РИ) — остаточного свечения Большого взрыва. Для космических лучей с энергией выше ~10¹⁷ эВ один типичный фотон РИ имеет шанс произвести электрон-позитронные пары. При ещё более высоких энергиях, скорее ~10²⁰ эВ, фотон РИ имеет значительно большие шансы превратиться в нейтральный пион, что довольно быстро лишает космические лучи энергии. Это основная причина, по которой наблюдается резкий спад в популяции самых высокоэнергетичных космических лучей: они находятся выше этого критического энергетического порога.

Другими словами, даже очень низкоэнергетические фотоны могут быть преобразованы в другие частицы при столкновении с другой частицей с достаточно высокой энергией.

Есть ещё третий способ изменения фотона, помимо космического расширения или превращения в частицы с ненулевой массой покоя: рассеяние от частицы, в результате которого образуются дополнительные фотоны. Практически в каждом электромагнитном взаимодействии, или взаимодействии между заряженной частицей и хотя бы одним фотоном, существуют так называемые «радиационные поправки», которые возникают в квантовых теориях поля. Для каждого стандартного взаимодействия, в котором в начале и в конце существует одинаковое количество фотонов, существует чуть менее 1% шансов — точнее, 1/137, — что в конце вы излучите дополнительный фотон сверх того количества, с которым вы начали.

И каждый раз, когда у вас есть энергичная частица, обладающая положительной массой покоя и положительной температурой, эти частицы также будут излучать фотоны, теряя энергию в виде фотонов.

Фотоны очень, очень легко создать, и хотя их можно поглотить, вызвав соответствующие квантовые переходы, большинство возбуждений через определённое время прекращают своё существование. Как и в старой поговорке «Что поднимается, то и опускается», квантовые системы, которые возбуждаются до более высоких энергий за счёт поглощения фотонов, в конце концов тоже распадаются, производя по крайней мере то же количество фотонов, как правило, с той же чистой энергией, что и поглощённые вначале.

Учитывая, что существует так много способов создания фотонов, вы, вероятно, слюной исходите от желания найти способ их уничтожить. В конце концов, простое ожидание, пока эффекты космического красного смещения приведут их к асимптотически низкому значению энергии и плотности, займёт произвольно много времени. Каждый раз, когда Вселенная увеличивается в 2 раза, общая плотность энергии в виде фотонов падает в 16 раз: в 2⁴ раза. Множитель 8 появляется потому, что количество фотонов — несмотря на все способы их создания — остаётся относительно фиксированным, а удвоение расстояния между объектами увеличивает объём наблюдаемой Вселенной в 8 раз: в два раза в длину, в два раза в ширину и в два раза в глубину.

Четвёртый и последний фактор, равный двум, возникает в результате космологического расширения, которое растягивает длину волны в два раза по сравнению с первоначальной длиной волны, тем самым вдвое уменьшая энергию на один фотон. На достаточно больших временных масштабах это приведёт к тому, что плотность энергии Вселенной в виде фотонов будет асимптотически стремиться к нулю, но никогда не достигнет его.

Можно попытаться поумничать и представить себе какую-нибудь экзотическую частицу сверхмалой массы, которая соединяется с фотонами и в которую фотон может превратиться при соответствующих условиях. Какой-нибудь бозон или псевдоскалярная частица — например, аксион или аксино, конденсат нейтрино или какая-нибудь экзотическая куперовская пара — могли бы привести именно к таким явлениям, но, опять же, это работает только в том случае, если фотон имеет достаточно высокую энергию, чтобы превратиться в частицу с ненулевой массой покоя через E = mc². Как только энергия фотона смещается ниже критического порога, это уже не работает.

Аналогичным образом можно представить себе конечный способ поглощения фотонов: столкновение их с чёрной дырой. Как только что-либо переходит извне горизонта событий внутрь, оно не только никогда не сможет убежать, но и всегда будет увеличивать энергию массы покоя самой чёрной дыры. Да, со временем во Вселенной появится множество чёрных дыр, и они будут увеличиваться в массе и размерах с течением времени.

Но даже это произойдёт лишь до определённого момента. Как только плотность Вселенной упадёт ниже определённого порога, чёрные дыры начнут распадаться под действием излучения Хокинга быстрее, чем расти, а это означает производство ещё большего количества фотонов, чем попало в чёрную дыру изначально. В течение следующих ~10¹⁰⁰ лет или около того все чёрные дыры во Вселенной в конце концов полностью распадутся, причём подавляющее большинство продуктов распада будут фотонами.

Так погибнут ли они когда-нибудь? Согласно современным законам физики — нет. На самом деле, ситуация даже более плачевна, чем вы, вероятно, думаете. Вы можете вспомнить каждый фотон, который был или будет создан:

• создан во время Большого взрыва,

• создан в результате квантовых переходов,

• создан в результате радиационных поправок,

• создан в результате излучения энергии,

• или созданный в результате распада чёрной дыры,

и даже если вы подождёте, пока все эти фотоны достигнут произвольно низких энергий из-за расширения Вселенной, Вселенная всё равно не будет лишена фотонов.

Почему?

Потому что во Вселенной всё ещё есть тёмная энергия. Как объект с горизонтом событий, например чёрная дыра, будет непрерывно излучать фотоны из-за разницы в ускорении вблизи и вдали от горизонта событий, так и объект с космологическим (или, более точно, риндлеровским) горизонтом. Принцип эквивалентности Эйнштейна говорит нам, что наблюдатели не могут отличить гравитационное ускорение от ускорения, вызванного любой другой причиной, и любые два несвязанных места будут казаться ускоренными друг относительно друга из-за присутствия тёмной энергии. Физика, которая при этом возникает, идентична: испускается непрерывное количество теплового излучения. Исходя из значения космологической постоянной, которое мы предполагаем сегодня, это означает, что спектр излучения чёрного тела с температурой ~10^-30 К всегда будет пронизывать всё пространство, независимо от того, как далеко в будущее мы зайдём.

Даже в самом конце своего существования, как бы далеко в будущее мы ни заходили, Вселенная всегда будет продолжать производить излучение, гарантируя, что она никогда не достигнет абсолютного нуля, что она всегда будет содержать фотоны, и что даже при самых низких энергиях, которых она когда-либо достигнет, фотону больше не во что будет распадаться или переходить. Хотя плотность энергии во Вселенной будет продолжать падать по мере её расширения, а энергия, присущая каждому отдельному фотону, будет продолжать падать по мере того, как время будет устремляться всё дальше и дальше в будущее, никогда не будет ничего «более фундаментального», во что бы они переходили.

Конечно, есть экзотические сценарии, которые мы можем придумать, чтобы изменить историю. Возможно, у фотонов действительно есть ненулевая масса покоя, из-за чего они замедляются до скорости меньше скорости света, когда проходит достаточно времени. Возможно, фотоны действительно нестабильны по своей природе, и есть что-то другое, действительно безмассовое, например, комбинация гравитонов, в которую они могут распадаться. И, возможно, существует некий фазовый переход, который произойдёт далеко в будущем, где фотон обнаружит свою истинную нестабильность и распадётся в ещё неизвестное квантовое состояние.

Но если всё, что у нас есть, — это фотон, как мы понимаем его в Стандартной модели, то фотон по-настоящему стабилен. Вселенная, наполненная тёмной энергией, гарантирует, что даже если существующие сегодня фотоны будут смещаться до произвольно низких энергий, всегда будут создаваться новые, что приведёт к тому, что во Вселенной число фотонов и плотность энергии фотонов всегда будут конечными и положительными. Мы можем быть уверены в правилах только в той степени, в которой мы их измерили, но если только не существует какого-то большого фрагмента головоломки, который мы просто ещё не раскрыли, мы можем рассчитывать на то, что фотоны могут затухать, но никогда не умрут по-настоящему.