Установлен верхний предел возможной массы фотона

Согласно измерениям пульсирующих звезд, разбросанных по Млечному Пути, и загадочных радиосигналов из других галактик, частица света (или квант света) — а это ни что иное, как фотон — не может быть тяжелее 9,52 × 10^-46 килограммов.

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

Фотоны, как правило, описываются как безмассовые частицы. Эти дискретные количества энергии проносятся сквозь пространство-время с постоянной скоростью, не ускоряясь и не замедляясь в вакууме. Их постоянная скорость (скорость света) подразумевает безмассовость, и нет никаких доказательств обратного.

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

Наличие ненулевой массы имело бы глубокие последствия. Она противоречила бы специальной теории относительности Эйнштейна и электромагнитной теории Максвелла, что, вероятно, привело бы к появлению новой физики и, возможно, ответило бы на некоторые важные вопросы о Вселенной (хотя и породило бы множество других).

Если бы фотон действительно обладал массой, она должна была бы быть чрезвычайно мала, чтобы не оказывать серьезного влияния на возникновение Вселенной, а это значит, что у нас просто нет инструментов для ее прямого измерения.

Однако можно провести косвенные измерения, которые дадут верхний предел этой гипотетической массы, и именно это сделала группа астрономов.

Команда из Сычуаньского университета науки и техники, Китайской академии наук и Нанкинского университета проанализировала данные, собранные системой Parkes Pulsar Timing Array, и данные о быстрых радиовсплесках из ряда источников, чтобы определить, насколько массивным может быть свет.

Массив синхронизации пульсаров — это массив антенн радиотелескопа для наблюдения за нейтронными звездами, которые посылают пульсирующие пучки электромагнитного излучения — миллисекундные пульсары. Быстрые радиовсплески — это чрезвычайно мощные всплески света неизвестного происхождения, которые обнаруживаются через огромные межгалактические пропасти.

Свойство, которое исследовали ученые, известно как мера дисперсии — один из ключевых атрибутов пульсаров и быстрых радиовсплесков. Это показатель того, насколько сильно узкоимпульсный пучок радиоизлучения рассеивается свободными электронами между нами и источником света.

Если фотоны имеют массу, то на их распространение через невакуумное пространство, населенное плазмой, будут влиять как масса, так и свободные электроны в плазме. Это приведет к тому, что время задержки будет пропорционально массе фотона.

Parkes Pulsar Timing Array ищет задержки во времени импульсов пульсаров относительно друг друга. В частности, в сверхширокой полосе частот эффекты дисперсии могут быть сведены к минимуму, что позволяет исследователям вычислить, какую задержку может внести гипотетическая масса фотона.

Между тем, дедиспергирование сигналов от быстрых радиовсплесков также может выявить задержку, пропорциональную массе фотона.

Тщательно изучив эти данные, астрономы смогли вывести верхний предел — 9,52 × 10^-46 килограммов (или, в эквиваленте энергии, 5,34 × 10^-10 электрон-вольт c^-2). Обратите внимание, что это не означает, что фотон обладает массой; это лишь означает, что есть новая граница у гипотетической массы фотона.

«Это первый случай, — пишут авторы, — когда взаимодействие между ненулевой массой фотона и плазменной средой было учтено и рассчитано по мере распространения фотона через плазменную среду».

Исследование также демонстрирует, по словам астрономов, необходимость в высокоточных радиотелескопах. Вряд ли можно будет взвесить фотон в ближайшее время, но получение более качественных данных позволит еще больше сузить диапазон измерений, а вместе с ним и его потенциальное влияние на окружающую нас Вселенную.

Исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal.