Спросите Итана: действительно ли свет живёт вечно?

Направляя импульс света на полупрозрачную, полуотражающую тонкую среду, исследователи могут измерить время, необходимое фотонам для туннелирования сквозь этот барьер на другую сторону. Хотя сам шаг туннелирования может быть мгновенным, движущиеся частицы по-прежнему ограничены скоростью света. Делая высокоскоростные снимки этого светового импульса, мы можем создать фильм, который выглядит непрерывным. Источник: J. Liang, L. Zhu & L.V. Wang, 2018, Light: Science & Applications

Во всей Вселенной лишь немногие частицы являются вечно стабильными. Фотон, или квант света, имеет бесконечное время жизни. Но так ли это на самом деле?

Итан Сигел, 5 августа 2022 года

Ключевые тезисы:

• В расширяющейся Вселенной, на протяжении миллиардов и миллиардов лет, фотон, по всей видимости, является одной из очень немногих частиц, обладающих бесконечным временем жизни.

• Фотоны — это кванты, из которых состоит свет, и при отсутствии каких-либо других взаимодействий, вынуждающих их изменять свои свойства, они стабильны вечно, и нет ни малейшего намёка на то, что они могут превратиться в какую-либо другую частицу.

• Но насколько хорошо мы знаем, что это действительно так, и на какие доказательства мы можем указать, чтобы определить их стабильность? Это увлекательный вопрос, который подводит нас к самому пределу того, что мы можем реально наблюдать и измерять.

Одна из самых устойчивых идей в отношении Вселенной заключается в том, что всё, что существует сейчас, однажды прекратит своё существование. Звёзды, галактики и даже чёрные дыры, занимающие пространство нашей Вселенной, однажды погаснут, исчезнут и распадутся, оставив то, что мы называем состоянием «тепловой смерти»: когда никакую энергию невозможно извлечь каким бы то ни было способом из однородного, максимально энтропийного состояния равновесия. Но, возможно, существуют исключения из этого правила, и что-то будет поистине существовать вечно.

Один из таких кандидатов быть поистине стабильной сущностью — это фотон, квант света. Всё электромагнитное излучение, существующее во Вселенной, состоит из фотонов, и фотоны, насколько мы можем судить, обладают бесконечным временем жизни. Означает ли это, что свет будет действительно жить вечно? Именно это хочет узнать Анна-Мария Галанте, которая написала:

«Живут ли фотоны вечно? Или они «умирают» и превращаются в какую-то другую частицу? Свет, который мы видим исходящим от космических событий в очень-очень-очень далёком прошлом… мы, кажется, знаем, откуда он приходит, но куда он уходит? Каков жизненный цикл фотона?»

Это большой и важный вопрос, и он подводит нас к самой границе всего, что мы знаем о Вселенной. Ниже я постараюсь изложить лучший ответ, который наука может нам дать сегодня...

Как впервые заметил Весто Слайфер ещё в 1910-х годах, некоторые наблюдаемые нами объекты демонстрируют спектральные признаки поглощения или испускания определёнными атомами, ионами или молекулами, но с систематическим смещением в красную или синюю сторону спектра света. В сочетании с измерениями расстояний до этих объектов эти данные привели к идее расширяющейся Вселенной: чем дальше галактика, тем сильнее её свет будет казаться красным для наших глаз и приборов. Источник: Vesto Slipher, 1917, Proc. Amer. Phil. Soc.

Впервые вопрос о конечном времени жизни фотона возник по очень веской причине: мы только что обнаружили ключевое доказательство расширения Вселенной. Спиральные и эллиптические туманности на небе оказались галактиками, или «островными Вселенными», как их тогда называли, далеко за пределами Млечного Пути. Эти скопления миллионов, миллиардов или даже триллионов звёзд находились по крайней мере в миллионах световых лет от нас, далеко за пределами Млечного Пути. Более того, вскоре было показано, что эти далёкие объекты не просто находятся далеко, но и удаляются от нас: чем дальше они находились, тем сильнее их свет был систематически смещён в красную сторону.

Разумеется, к тому времени, когда эти данные стали широко доступны, в 1920-х и 1930-х годах, мы уже узнали о квантовой природе света, которая научила нас, что длина волны света определяет его энергию. У нас уже имелись достаточно хорошо разработанные специальная и общая теория относительности, которые научили нас, что после того как свет покидает источник, способы изменить его частоту таковы:

1. сделать так, чтобы свет провзаимодействовал с некоторой формой материи и/или энергии,

2. либо чтобы наблюдатель двигался по направлению к источнику или от него,

3. либо должны измениться свойства кривизны самого пространства, например вследствие гравитационного красного/синего смещения или расширения/сжатия Вселенной.

Первое потенциальное объяснение, в частности, привело к формулировке увлекательной альтернативной космологии — космологии «усталого света».

При достаточном количестве времени свет, испущенный далёким объектом, достигнет наших глаз, даже в расширяющейся Вселенной. Однако если скорость удаления далёкой галактики достигнет скорости света и останется выше неё, мы никогда не сможем добраться до неё, даже если сможем увидеть свет из её далёкого прошлого. Источник: Larry McNish/RASC Calgary

Впервые сформулированная в 1929 году Фрицем Цвикки — да, тем самым Фрицем Цвикки, который ввёл термин «сверхновая», первым сформулировал гипотезу тёмной материи и который однажды попытался «успокоить» турбулентный атмосферный воздух, выстрелив из винтовки через трубу своего телескопа, гипотеза «усталого света» выдвигала идею, что распространяющийся свет теряет энергию при столкновениях с другими частицами, присутствующими в пространстве между галактиками. Чем больше пространства нужно преодолеть, рассуждали авторы, тем больше энергии будет потеряно при этих взаимодействиях, и именно это будет объяснением (а вовсе не пекулярные скорости или космологическое расширение) того, почему свет более далёких объектов оказывается более сильно смещённым в красный спектр.

Однако для того, чтобы этот сценарий был верен, должны выполняться два условия.

1.) Когда свет проходит через среду, даже разреженную, он замедляется от скорости света в вакууме до скорости света в этой среде. Замедление влияет на свет разных частот по-разному. Подобно тому как свет, проходящий через призму, разлагается на разные цвета, свет, проходящий через межгалактическую среду, взаимодействующую с ним, должен замедлять свет разных длин волн на разную величину. Когда такой свет снова попадает в истинный вакуум, он возобновляет движение со скоростью света в вакууме.

В вакууме космического пространства весь свет, независимо от длины волны или энергии, распространяется с одинаковой скоростью — скоростью света в вакууме. Когда мы наблюдаем свет от далёкой звезды, мы наблюдаем свет, который уже завершил своё путешествие от источника до наблюдателя. Источник: Lucas Vieira/Wikimedia Commons

Однако, когда мы наблюдали свет, приходящий от источников на разных расстояниях, мы не обнаружили зависимости красного смещения от длины волны. Вместо этого на всех расстояниях все длины волн испущенного света демонстрируют красное смещение на один и тот же коэффициент; никакой зависимости от длины волны нет. Из-за этого нулевого результата первое предсказание космологии «усталого света» опровергнуто.

Но есть и второе предсказание, с которым нужно считаться.

2.) Если более далёкий свет теряет больше энергии, проходя через большую длину «поглощающей среды», чем менее далёкий свет, то те более далёкие объекты должны выглядеть более размытыми, причём значительно сильнее, чем менее далёкие.

И снова, когда мы проверяем это предсказание, мы обнаруживаем, что оно не подтверждается наблюдениями. Более далёкие галактики, видимые рядом с менее далёкими, выглядят столь же чёткими и с таким же высоким разрешением, как и менее далёкие. Это верно, например, для всех пяти галактик в Квинтете Стефана, а также для фоновых галактик, видимых за всеми пятью членами квинтета. Это предсказание также опровергнуто.

Основные галактики Квинтета Стефана, сфотографированные телескопом «Джеймс Уэбб» 12 июля 2022 года. Галактика слева находится на расстоянии лишь ~15% от расстояния до других галактик, а фоновые галактики во много десятков раз дальше. И тем не менее, все они одинаково чёткие для «Джеймса Уэбба», демонстрируя, что Вселенная полна звёзд и галактик практически всюду, куда мы смотрим. Источник: NASA, ESA, CSA, and STScI

Хотя этих наблюдений достаточно, чтобы опровергнуть гипотезу «усталого света», и, по сути, их было достаточно для её опровержения сразу же, как только она была предложена, это лишь один из возможных способов нестабильности света. Возможно, свет может либо погаснуть, либо превратиться в какую-либо другую частицу, и есть несколько интересных способов рассмотреть эти возможности.

Первый возникает просто из того факта, что у нас есть космологическое красное смещение. Каждый фотон, который возникает, независимо от того, как он был произведён, тепловым ли способом, квантовым переходом или каким-либо другим взаимодействием, будет распространяться через Вселенную до тех пор, пока не столкнётся и не провзаимодействует с другим квантом энергии. Но если вы фотон, испущенный при квантовом переходе, если только вы не можете совершить обратный квантовый переход достаточно быстро, вы начнёте путешествовать через межгалактическое пространство, и ваша длина волны будет растягиваться из-за расширения Вселенной по мере вашего движения. Если вам не повезёт быть поглощённым квантовым связанным состоянием с подходящей допустимой частотой перехода, вы будете просто испытывать красное смещение до тех пор, пока ваша длина волны не станет больше самой длинной волны, которая когда-либо позволит вам быть поглощённым таким переходом.

Этот синтез трёх различных наборов спектральных линий ртутной лампы показывает влияние, которое может оказывать магнитное поле. На (A) магнитное поле отсутствует. На (B) и (C) магнитное поле присутствует, но ориентировано по-разному, что объясняет различное расщепление спектральных линий. Многие атомы демонстрируют эту тонкую или даже сверхтонкую структуру без приложения внешнего поля, и эти переходы необходимы для создания функциональных атомных часов. Многие переходы, такие как показанные здесь, являются дискретными, а не непрерывными процессами. Источник: Warren Leywon/Wikimedia Commons

Однако существует и второй набор возможностей для всех фотонов: они могут взаимодействовать со свободной квантовой частицей, производя один из множества эффектов.

Это может включать рассеяние, при котором заряженная частица (обычно это электрон) поглощает и затем повторно испускает фотон. Это включает обмен как энергией, так и импульсом, и может ускорить либо заряженную частицу, либо фотон до более высоких энергий за счёт того, что другая теряет энергию.

При достаточно высоких энергиях столкновение фотона с другой частицей, даже с другим фотоном, если энергия достаточно велика, может спонтанно породить пару частица-античастица, если имеется достаточно энергии для их создания через уравнение Эйнштейна E = mc². Фактически, космические лучи самой высокой энергии могут делать это даже с чрезвычайно низкоэнергетичными фотонами, являющимися частью космического микроволнового фонового излучения (реликтового излучения) — остаточного свечения Большого взрыва. Для космических лучей с энергией выше ~10¹⁷ эВ один типичный фотон реликтового излучения имеет шанс породить электрон-позитронную пару. При ещё более высоких энергиях, порядка ~10²⁰ эВ, фотон реликтового излучения имеет значительную вероятность превращения в нейтральный пион, что быстро отнимает энергию у космических лучей. Это основная причина, по которой наблюдается резкий спад в популяции космических лучей самых высоких энергий: они превышают этот критический энергетический порог.

Энергетический спектр космических лучей самых высоких энергий по данным коллабораций, которые их обнаружили. Результаты невероятно хорошо согласуются от эксперимента к эксперименту и выявляют значительный спад на пороге ГЗК (Грейзена-Зацепина-Кузьмина) ~5 × 10¹⁹ эВ. Тем не менее, многие такие космические лучи превышают этот энергетический порог, указывая на изъян в наиболее упрощённой картине этих космических лучей. Источник: M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D, 2019

Другими словами, даже очень низкоэнергетичные фотоны могут быть превращены в другие частицы, не-фотоны, при столкновении с другой достаточно высокоэнергетичной частицей.

Существует и третий способ изменить фотон помимо космологического расширения или превращения в частицы с ненулевой массой покоя: рассеяние на частице, приводящее к рождению дополнительных фотонов. Практически в каждом электромагнитном взаимодействии, или взаимодействии между заряженной частицей и хотя бы одним фотоном, существуют так называемые "поправки излучения", возникающие в квантовых теориях поля. Для каждого стандартного взаимодействия, где число фотонов в начале равно числу фотонов в конце, существует чуть менее 1% вероятности, точнее, примерно 1/137, что в итоге будет излучён дополнительный фотон сверх того числа, с которого вы начали.

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

Фотоны очень, очень легко создаются, и хотя возможно поглотить их, вызвав соответствующие квантовые переходы, большинство возбуждённых состояний переходят в основное состояние через определённое время. Подобно старой поговорке «что поднимается, то должно опуститься», квантовые системы, возбуждённые до более высоких энергий путём поглощения фотонов, в конце концов вернутся в основное состояние, испустив по крайней мере столько же фотонов, как правило с той же суммарной энергией, сколько было поглощено первоначально.

Когда образуется атом водорода, он с равной вероятностью имеет сонаправленные и противонаправленные спины электрона и протона. Если они противонаправлены, дальнейших переходов не произойдёт, но если они сонаправлены, они могут квантово-туннельным образом перейти в состояние с более низкой энергией, испустив фотон определённой длины волны (21 см) на определённых и довольно длительных временных масштабах. Точность этого перехода измерена лучше, чем одна триллионная, и она не изменилась за многие десятилетия, в течение которых она известна. Это первый свет, испущенный во Вселенной после образования нейтральных атомов, ещё до формирования первых звёзд: всякий раз, когда образуются новые звёзды, ультрафиолетовое излучение ионизирует атомы водорода, снова создавая эту сигнатуру при спонтанном образовании этих атомов. Источник: Tiltec/Wikimedia Commons

Учитывая, что существует так много способов создания фотонов, вы, наверное, жаждете узнать способы их уничтожения. В конце концов, простое ожидание эффектов космологического красного смещения, которое сведёт их к асимптотически низкой энергии и плотности, займёт произвольно долгое время. Каждый раз, когда Вселенная растягивается вдвое, общая плотность энергии в форме фотонов падает в 16 раз: на множитель 2⁴. Множитель 8 возникает потому, что число фотонов, несмотря на все способы их создания, остаётся относительно фиксированным, а удвоение расстояния между объектами увеличивает объём наблюдаемой Вселенной в 8 раз: удвоение длины, удвоение ширины и удвоение глубины.

Четвёртый и последний множитель двойки возникает из-за космологического расширения, которое растягивает длину волны вдвое, тем самым вдвое уменьшая энергию каждого фотона. На достаточно длинных временных масштабах это приведёт к тому, что плотность энергии Вселенной в форме фотонов асимптотически будет стремиться к нулю, но никогда его не достигнет.

Хотя материя и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной из-за увеличения её объёма, тёмная энергия (а также энергия поля во время инфляции) — это форма энергии, присущая самому пространству. По мере создания нового пространства в расширяющейся Вселенной плотность тёмной энергии остаётся постоянной, даже когда плотности других компонентов падают. Источник: E. Siegel/Beyond the Galaxy

Мы можем попытаться схитрить и представить какую-нибудь экзотическую сверхлёгкую частицу, которая взаимодействует с фотонами и в которую фотон мог бы превратиться при определённых условиях. Какой-нибудь бозон или псевдоскалярная частица, вроде аксиона или аксино, нейтринного конденсата или какой-нибудь экзотической куперовской пары, могла бы привести именно к такому явлению, но, опять же, это работает только если фотон достаточно высокоэнергетичен, чтобы превратиться в частицу с ненулевой массой покоя через E = mc². Как только энергия фотона в результате красного смещения упадёт ниже критического порога, это больше не сработает.

Аналогично, мы можем представить себе предельный способ поглощения фотонов: направить их в чёрную дыру. Когда что-либо пересекает горизонт событий снаружи внутрь, оно не только никогда не сможет вырваться, но и всегда добавляет свою энергию к энергии массы покоя самой чёрной дыры. Да, со временем во Вселенной будет существовать множество чёрных дыр, и они будут расти в массе и размере по мере движения времени вперёд.

Но даже это будет происходить лишь до определённого момента. Как только плотность Вселенной упадёт ниже определённого порога, чёрные дыры начнут испаряться посредством излучения Хокинга быстрее, чем растут, и это означает рождение ещё большего числа фотонов, чем вошло в чёрную дыру первоначально. В течение следующих ~10¹⁰⁰ лет или около того каждая чёрная дыра во Вселенной в конце концов полностью испарится, причём подавляющее большинство продуктов распада будут фотонами.

Чёрные дыры, образованные из разных материалов или из частиц в разных квантовых состояниях, должны иметь разную информацию, закодированную на их горизонтах событий, и неясно, закодирована ли эта информация и каким образом она кодируется в исходящем излучении Хокинга. В недавней работе 2023 года предпологается, что объекты без горизонта событий также могут испускать излучение Хокинга, но этот результат, как было обнаружено, был исключён в научной литературе ещё в 1975 году. Источник: The EU's Communicate Science

Так исчезнут ли фотоны когда-нибудь? Нет, согласно известным на сегодняшний день законам физики. Фактически, ситуация ещё более безнадёжна, чем вы, вероятно, думаете. Мы можем представить себе каждый фотон, который был или будет:

• создан при Большом взрыве,

• создан при квантовых переходах,

• создан при поправках на излучение,

• создан при испускании энергии,

• или создан при испарении чёрных дыр,

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

Почему?

Потому что во Вселенной по-прежнему есть тёмная энергия. Подобно тому как объект с горизонтом событий, такой как чёрная дыра, будет непрерывно испускать фотоны из-за разницы в ускорении вблизи горизонта событий и вдали от него, то же самое будет происходить с объектом, обладающим 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 две несвязанные точки будут казаться ускоряющимися относительно друг друга из-за присутствия тёмной энергии. Результирующая физика идентична: непрерывно испускается некоторое количество теплового излучения. Исходя из значения космологической постоянной, которое мы определяем сегодня, это означает, что спектр излучения абсолютно чёрного тела с температурой ~10^-30 К будет всегда пронизывать всё пространство, как бы далеко в будущее мы ни заглянули.

Снаружи чёрной дыры вся падающая материя будет испускать свет и всегда будет видима, в то время как ничто из-за горизонта событий не может выбраться. Но если бы вы были тем, кто упал в чёрную дыру, ваша энергия теоретически могла бы вновь появиться как часть горячего Большого взрыва в новорожденной Вселенной. Источник: Andrew Hamilton, JILA, University of Colorado

Даже в самом конце, как бы далеко в будущее мы ни заглянули, Вселенная будет всегда продолжать производить излучение, гарантируя, что она никогда не достигнет абсолютного нуля, что в ней всегда будут содержаться фотоны, и что даже при самых низких энергиях, которых она когда-либо достигнет, не должно быть ничего другого, во что фотон мог бы распасться или перейти.

Хотя плотность энергии Вселенной будет продолжать падать по мере её расширения, и энергия, присущая любому отдельному фотону, будет продолжать падать по мере того, как время течёт всё дальше и дальше в будущее, никогда не будет ничего «более фундаментального», во что они могли бы перейти.

Конечно, существуют экзотические сценарии, которые мы можем придумать, чтобы изменить картину. Возможно, фотоны действительно обладают ненулевой массой покоя, что заставляет их замедляться до скорости ниже скорости света, когда проходит достаточно времени. Возможно, фотоны действительно по своей природе нестабильны, и существует что-то ещё, поистине безмассовое, например, комбинация гравитонов, во что они могут распасться. И, возможно, произойдёт какой-то фазовый переход в далёком будущем, когда фотон раскроет свою истинную нестабильность и распадётся в ещё неизвестное квантовое состояние.

Но если всё, что у нас есть, — это фотон, каким мы понимаем его в Стандартной модели, то фотон поистине стабилен. Вселенная, наполненная тёмной энергией, гарантирует, что даже когда фотоны, существующие сегодня, испытают красное смещение до произвольно низких энергий, новые будут создаваться всегда, приводя к Вселенной с конечным и положительным числом фотонов и определенной плотностью энергии фотонов во все времена. Мы можем быть уверены в правилах лишь в той степени, в которой мы их измерили, и если только не существует большого недостающего фрагмента головоломки, который мы просто ещё не обнаружили, мы можем рассчитывать на то, что фотоны, возможно, угаснут, но никогда по-настоящему не умрут.