Спросите Итана: действительно ли свет живёт вечно?
Во Вселенной почти нет объектов, которые можно было бы назвать абсолютно стабильными. Звёзды исчерпывают топливо, галактики меняются, а даже чёрные дыры, согласно теории Хокинга, со временем теряют энергию. На этом фоне фотон выглядит исключением: насколько позволяют современные наблюдения и эксперименты, он не распадается и может существовать неограниченно долго.
Фотон - это квант электромагнитного поля, минимальная порция энергии, из которой складывается любое излучение: от радиоволн до гамма-квантов. Однако вопрос о том, действительно ли свет способен "жить вечно", гораздо сложнее, чем может показаться. Что происходит с фотоном после того, как он покидает звезду? Исчезает ли он, превращаясь в другие частицы, или продолжает существовать, пока не столкнётся с веществом?
Именно это интересовало Анну-Марию Галанте. Она сформулировала вопрос так: если мы наблюдаем свет от событий, произошедших миллиарды лет назад, то понимаем, откуда он пришёл, но куда он направляется дальше? Есть ли у фотона жизненный цикл и может ли он когда-нибудь "умереть"?
Почему вообще возникла идея о конечной жизни фотона
Подозрения относительно стабильности света появились не случайно. В начале XX века астрономы установили, что многие объекты, которые прежде считались туманностями внутри Млечного Пути, на самом деле являются отдельными галактиками. Они находятся на колоссальных расстояниях - в миллионах и миллиардах световых лет от Земли.
Затем выяснилось, что удалённые галактики систематически смещают свои спектральные линии в красную область. Причём чем дальше расположена галактика, тем сильнее наблюдаемое красное смещение. Это стало одним из главных аргументов в пользу расширения Вселенной.
К тому времени учёные уже понимали, что энергия фотона связана с длиной его волны: чем длиннее волна, тем меньше энергия. Поэтому требовалось объяснить, почему свет, преодолевая огромные расстояния, меняет частоту.
С точки зрения физики возможны несколько механизмов. Свет способен изменить свои параметры при взаимодействии с веществом или другими формами энергии. На результат влияет и движение наблюдателя относительно источника - это доплеровское смещение. Наконец, частота фотона может измениться из-за свойств самого пространства: так возникают гравитационное красное и синее смещение, а также космологическое смещение, связанное с расширением Вселенной.
Одной из альтернатив стала гипотеза "усталого света". Её в 1929 году предложил Фриц Цвикки - учёный, известный также введением термина "сверхновая" и ранними работами по тёмной материи. Согласно этой идее, фотон постепенно теряет энергию, сталкиваясь с частицами межгалактического пространства. Чем длиннее путь, тем сильнее ослабление и тем заметнее красное смещение.
На первый взгляд такая модель выглядела логично: свет действительно проходит через разреженную среду, а взаимодействия могут влиять на его энергию. Однако последующие наблюдения показали, что гипотеза не объясняет все свойства далёкого излучения. В частности, она не воспроизводит наблюдаемое растяжение временных интервалов у далёких сверхновых и особенности космического микроволнового фона. Совокупность данных гораздо убедительнее говорит в пользу расширения пространства, а не постепенного "старения" фотонов.
Что означает "бессмертие" фотона
Важно различать два совершенно разных явления: изменение энергии и распад частицы. Когда Вселенная расширяется, длина волны фотона увеличивается, а его энергия уменьшается. Но это не означает, что фотон исчезает. Он по-прежнему остаётся фотоном, просто его частота становится ниже.
Именно поэтому красное смещение не является признаком старения света в бытовом смысле. Фотон, испущенный молодой звездой, может спустя миллиарды лет попасть в радиотелескоп, утратив значительную часть энергии из-за расширения пространства. При этом он не превращается в другую частицу и не распадается на составные элементы.
Современная квантовая физика описывает фотон как безмассовую частицу со спином 1, которая переносит электромагнитное взаимодействие. В стандартной модели нет известного канала, по которому фотон мог бы самопроизвольно распасться в более лёгкие частицы: подходящей дочерней частицы с меньшей массой и необходимыми квантовыми характеристиками попросту не обнаружено.
Кроме того, распад фотона нарушил бы фундаментальные законы сохранения. Фотон не имеет массы покоя, электрического заряда и лептонного или барионного числа. Чтобы он превратился в другие частицы, должны выполняться строгие условия по энергии, импульсу и квантовым числам. В пустом пространстве такой процесс невозможен.
Может ли фотон всё-таки исчезнуть?
Да, но это будет не распад, а взаимодействие. Фотон может быть поглощён атомом, молекулой, пылевой частицей или поверхностью вещества. В этом случае его энергия передаётся системе: электрон может перейти на более высокий уровень, вещество - нагреться, а в некоторых процессах могут возникнуть новые частицы.
Например, достаточно энергичный гамма-фотон при взаимодействии с атомным ядром способен породить электрон и позитрон. Исходный фотон после этого исчезнет, но не потому, что самопроизвольно "умер": он был преобразован в ходе столкновения, а его энергия и импульс перешли к другим объектам.
Похожим образом свет может рассеиваться, менять направление и передавать часть энергии среде. Однако до столкновения фотон продолжает существовать. В идеальном вакууме, где отсутствует вещество и исключены взаимодействия, для него нет известного механизма прекращения существования.
Интересный экспериментальный пример связан с тем, что называют туннелированием фотонов. Если направить световой импульс на тонкий полупрозрачный барьер, часть фотонов отражается, а часть проходит сквозь него благодаря квантовым эффектам. Учёные могут измерять время, необходимое световому сигналу для прохождения такой структуры. Эти эксперименты показывают, что даже сложное поведение света определяется законами вероятности и взаимодействия с материалом, а не спонтанным распадом фотонов.
Что произойдёт в далёком будущем
Если расширение Вселенной продолжится, энергия фотонов будет постепенно уменьшаться. Излучение, которое сегодня относится к видимому диапазону, со временем станет инфракрасным, затем микроволновым и, возможно, радиоволновым. Длина волны будет расти вместе с масштабом пространства.
Но уменьшение энергии не равно исчезновению. В этом смысле время жизни фотона может быть бесконечным. Он способен путешествовать сколь угодно долго, пока не встретится с материей или не окажется в области, где возможен процесс поглощения.
Есть, правда, важное космологическое ограничение. Из-за ускоренного расширения часть фотонов, испущенных далёкими галактиками, никогда не достигнет нашей области Вселенной. Это не означает, что они прекратили существование. Просто расстояние между источником и наблюдателем может увеличиваться быстрее, чем фотон успевает его преодолеть.
Таким образом, точнее всего сказать: свет не "живёт вечно" в смысле неизменности энергии и направления, но фотон, свободный от взаимодействий, не имеет известного конечного срока существования. Его энергия может уменьшаться, траектория - меняться, а сам он - поглощаться веществом. Однако спонтанный распад фотона пока не обнаружен ни теоретически, ни экспериментально.
Природа света остаётся одной из самых глубоких тем современной физики. Наблюдая древнее излучение, мы фактически видим историю Вселенной, растянутую во времени и пространстве. Каждый такой фотон несёт информацию о далёком прошлом, а его способность сохраняться на протяжении миллиардов лет показывает, насколько фундаментальными и устойчивыми могут быть законы мироздания.
