Clash fotonilor • Igor Ivanov • sarcini de popularizare a științei pe „elemente» • Fizică

Fig. 1. telescoape moderne ne permit să vedem obiecte astronomice îndepărtate de noi, miliarde de ani lumină. În centrul imaginii există un fir de praf abia vizibil, situat între două bare verticale (deschide imaginea in rezolutia!). Acest QUASAR se află la o distanță de 12,7 miliarde de ani lumină, ceea ce corespunde redshiftul z = cosmologică 6. Faptul că lumina de la astfel de obiecte indepartate vine la noi, pot fi utilizate pentru a determina secțiunea de imprastiere foton. Imagine cu site-ul apod.nasa.gov

În cărțile științifice și populare de pe fizicii moderne de multe ori a subliniat cât de strâns legate unele de celelalte obiecte ultra-mici și foarte mari, adică, proprietățile cele mai mici particule elementare și evoluția universului. Din acest motiv, observații astronomice și experimente pe acceleratoare se completează reciproc, ajutând pentru a restabili împreună o imagine a lumii noastre. În această sarcină este invitat să se stabilească propriile lor o astfel de conexiune între proprietățile particulelor elementare și proprietățile universului pe scara mai mare.

telescoape moderne ne permit să ia în considerare obiectele scoase din SUA miliarde de ani lumină (Fig. 1). Cu aceste observații, ne putem uita la un moment în care Universul a fost de doar câteva procente din vârsta sa actuală. Faptul că vom vedea astfel de obiecte îndepărtate precum pete compacte, înseamnă că lumina emisă de acestea, care zboară peste miliarde de ani, jumătate din univers, a fost în măsură să ajungă la noi cu aproape nici o distorsiune. Cu alte cuvinte, faptul că aceste observații înseamnă quasar că universul este suficient de transparent pentru fotoni optici.

Cu toate acestea, pe cale de a ne muta aceste fotoni prin nu este complet spațiu gol. Chiar și în absența spațiului norilor de praf este umplut cu radiații electromagnetice. Aceasta lumina stelelor, și radiația termică a gazelor fierbinți, iar radiația cu microunde relicva rămase de la Big Bang. Aceasta radiatie este peste tot, și fotoni pe tot drumul său desyatimilliardoletnego zbura prin această radiație (fig. 2).

Fig. 2. Fotonul emis de un quasar îndepărtat, care zboară printr-un univers plin cu radiații, și în drum obiectul său de a numeroase încercări de coliziuni și risipire de fotoni

Radiații, în limbajul mecanicii cuantice - un set de fotoni. Se pare că fiecare navă spațială foton optic vreodată să ne viziteze de la un quasar îndepărtat - un fel de MICROSCIENCE extrem de lungi pe coliziune de fotoni livrate la noi prin natura. Fiecare dintre fotoni optice emise de quasarului, au existat multe „tentative“ de a se confrunta cu unul dintre fotoni, care a umplut universul. Probabilitatea ca o astfel de încercare ar conduce la o coliziune reală și risipire de fotoni este foarte mic. Din cauza efectelor cuantice este non-zero, dar încă foarte mici. Faptul că fotonul înainte de a zburat la fel, ceea ce înseamnă că nici unul dintre numeroasele încercări nereușite. Acest lucru înseamnă că putem obține o limită cu privire la probabilitatea unei coliziuni a doi fotoni cu unul pe altul.

În fizică, această probabilitate este exprimată ca secțiunea transversală de împrăștiere. În mecanica clasică, secțiunea transversală de împrăștiere - aceasta este o cross-platform, care este necesară pentru a ajunge la avut loc împrăștierea. De exemplu, ciocnirea a două bile de diametru egal d este egal cu împrăștiere secțiune transversală πd 2.

Conceptul secțiunii transversale de împrăștiere pot fi transferate la coliziuni de particule. Doar aici trebuie să ne amintim că particulele una față de alta sunt „translucide“, și, prin urmare, secțiunea transversală de împrăștiere este departe de a fi întotdeauna în legătură cu secțiunea transversală geometrică a particulelor. De exemplu, atunci când doi protoni de mare energie se ciocnesc unele cu altele, secțiunea transversală de împrăștiere corespunde aproximativ cu formula clasică:

Cu toate acestea, în cazul în care un proton este neutrini incidente emise de Soare, cu o energie de 1 MeV, secțiunea lor transversală de coliziune este mult mai mică:

Acesta este motivul pentru care neutrino poate trece cu ușurință prin pământ: pentru ei este aproape transparent.

Faptul că fotonii optice din quasari îndepărtate plutit în derivă până la noi fără nici o problemă, aceasta înseamnă că secțiunea transversală a împrăștierii a doi fotoni σγγ foarte puțin. Valoarea exactă nu putem obține aceste observații astronomice, dar vom fi capabili să stabilească o limită superioară pentru valoarea secțiunii transversale (adică, nu este mai mult decât o anumită valoare).

Setați o limită superioară pe secțiunea transversală a coliziune a doi fotoni optici, bazată pe simplul fapt că vedem cuasarilor îndepărtate. proprietăți de radiații, umple universul, încercați să vă găsiți pe web.

Sfat 1

Noțiunea de obicei de dimensiunea unui foton nu se aplică, dar nu ajuta, deoarece fotonii unul de altul, aproape transparent. Prin urmare, este necesar să se abordeze problema din cealaltă parte, folosind drumul liber. Faptul că vom vedea fotonii îndepărtate înseamnă că calea lor medie liberă printr-un univers plin de radiații, este de cel puțin 10 miliarde de ani lumină.

Sfat 2

Uită-te din nou la Figura. 2. Imaginați-vă că, în loc de fotoni este vorba de moleculele de gaz rarefiat. Lăsați cunoscută concentrația și moleculele cunoscute, secțiune de coliziune a acestora unul cu celălalt. Desenați regiunea spațială, care „se simte“ o moleculă în propunerea, și pentru a găsi ordinea de mărime a cât de departe această moleculă este liber pentru a acoperi, înainte de a întâlni orice altă moleculă.

Relația dintre concentrația rezultată, secțiunea transversală de împrăștiere și drumul liber poate fi aplicată acum la fotoni.

Deducem mai întâi link-ul de mai sus. În cazul în care molecula este arborat în mod liber într-o distanță linie dreaptă L. pe cale de a „simți“ partea cilindrică a volumului σL spațiu. Dacă concentrația de molecule este egal cu n. în cilindru în mijloc atinge molecule nσL. Este lungimea la care acest număr este de aproximativ egal cu una, și există drumul liber. Astfel, în cazul în care o lungime de concentrare și calea cunoscută, secțiunea transversală poate fi găsită din

În problema noastră, drumul liber este de cel puțin 10 miliarde de ani lumina (10 26 m). Acum doriți să estimeze concentrația de fotoni din univers (interval optic), și nu în galaxie, și spațiul intergalactic, deoarece lumina din quasarul trece cea mai mare parte calea lor acolo. În roughest apropierea, acest lucru se poate face după cum urmează: contoriza numărul de fotoni de toate stele a fost respinsă în timpul duratei de viață a universului, și împărțiți acest număr la valoarea părții vizibile a universului.

În partea vizibilă a universului - miliarde de galaxii. În fiecare galaxie - zeci de miliarde de stele. Tipic stele - un pic de soare întunecos. Soarele emite aproximativ 4 · 26 octombrie wați, deci o stea tipic va avea valoarea de mai multe ori mai puțin. Un total se dovedește că puterea radiantă a tuturor stelelor din univers vizibil - aproximativ 10 46 wați.

foton optic are o energie de aproximativ 1 eV, adică 10 -19 J. Deci, toate stelele fac ordinea de 10 65 de fotoni pe secundă. Se pare că câțiva miliarde de ani a produs aproximativ 10 82 fotoni. Dacă acești fotoni sunt distribuite pe întreaga parte vizibilă a universului, va însemna concentrație de fotoni optici nγ ≈ 10 aprilie bucati / m 3 Total obține o limită superioară a secțiunii transversale a scattering foton optic:

Desigur, ne-am folosit pentru estimările sunt aproximări foarte dur, și cu siguranță poate fi rafinat, astfel încât răspunsul este probabil să se schimbe de unul sau două ordine de mărime.

postfață

Estimările observaționale de sus - este bine, dar ceea ce se spune aici QED? În cadrul secțiunii de împrăștiere transversală a doi fotoni pot fi numărate cu un grad destul de ridicat de precizie. Se pare că, secțiunea transversală este puternic dependentă de energia fotonica si a fotonilor optici este de ordinul a 10 -68 m 2 ordine adică aproape patruzeci de mărime mai mică decât limita superioară a contactului. Nu prea util evaluare am primit, dar aici era important nu atât de mult numărul, dar faptul este posibil pentru a obține o limită.

Interesant pentru a vedea ce se întâmplă cu creșterea energiei fotonice. Secțiunea transversală a calculelor de fotoni de împrăștiere în electrodinamicii cuantice, cu creșterea brusc. De exemplu, în cazul în care nu este o lumină obișnuită, dar fotonii cu energii in sute de GeV, care se confruntă cu fotoni de radiații cu microunde relicte, secțiunea ajunge deja la 10 -34 m 2. Concentrarea fotoni cu microunde în puț universul a fost măsurat: a fost 410 milioane de unități pe metru cub. Dacă vom calcula acum drum liber mediu pentru fotonii de mare energie, ar fi de mai multe ori mai mică decât dimensiunea universului. Dar pentru astfel de fotoni universul devine opac deja!

Aceasta constatare are implicatii directe pentru observarea astrofizica de energie înaltă. Se pare că este inutil să încercați pentru a prinde fotonii ultraînaltă energie din cuasarilor foarte îndepărtate sau exploziile de raze gama. Acești fotoni, chiar dacă acestea sunt emise, încă înainte de a ne nu va ajunge. Est limita de opacitate la fotoni cu o energie de 100 GeV, iar cele de mai sus este prezentată în Fig. 3.

Fig. 3. Limita de transparență pentru universul fotoni cu energii de 100 GeV și schimburi roșii mai mari de la zero la 0,7. Zona hașurată corespunde acestor energii și distanțele de la sursa in care fotonii de a avea deja nu ajung. Diferitele curbe corespund calculelor diferitelor grupuri, punctul - rezultatele detectarea cu succes a raze gamma de energie ultraînaltă din mai multe quasari. Imagine cu site-ul pisgm.ucolick.org

Același rezultat se poate uita, iar pe de altă parte, un punct mai de vedere pozitiv. Fotonii poate fi folosit de energie la fel de mare ca un instrument pentru studiul mediului intergalactic. Prin masurarea cat de mult orice foton ajunge din SUA din surse astrofizice la distanțe cunoscute, poate literalmente „se simt out“ concentrația de radiații în spațiul intergalactic! Studiul de o asemenea magnitudine (EBL, lumina de fundal extragalactice) subiectul multor articole în ultimii ani.