Éter a klidová hmotnost fotonu

neděle 4. říjen 2009 20:54

Jak již bylo vysvětleno dříve, foton je vlnový balík elektromagnetických vln, tzv. soliton, který se prostředím kvantové pěny tvořící vakuum šíří bez rozptylování jako skutečná hmotná částice. Hmotnost fotonu za pohybu se projevuje tlakem záření, kterým světlo působí na hmotnou překážku jako je solární plachetnice. Ale jak je tomu s hmotností fotonu v klidu? V současné fyzice je foton považován za částici, která zprostředkovává elektromagnetickou interakci nekonečného dosahu. Takový boson by měl mít za všech okolností nulovou klidovou hmotnost - jaká je však skutečnost?

Pokud začnete v diskusi se současnými fyziky zpochybňovat nulovou klidovou hmotnost fotonu, obvykle se dozvíte, že zde není o čem diskutovat, protože a) nulovou klidová hmotnost fotonu vyplývá z experimentů (žádná nebyla dosud naměřena) b) nulová klidová hmotnost fotonu vyplývá ze speciální teorie relativity,  protože jinak by bylo možné naměřit narušení konstantní rychlosti světla Michelson-Morleyovým experimentem. První tvrzení je pravdivé, mj. už proto, že foton nelze zastavit a tak všechny závěry ohledně jeho klidové hmotnosti jsou pouze extrapolace zcela jiných experimentů. Ale výsledky těchto experimentů svědčí vesměs ve prospěch nenulové klidové hmotnosti fotonů s několika výjimkami.

  

Například víme, že fotony spolu můžou slabě interagovat jako částice. Kdyby se totiž chovaly jako vlny, navzájem by se také jako vlny prostupovaly bez odporu. Ale z kvantové teorie vyplývá, že v dostatečně silném elektromagnetickém poli se fotony vzájemně srážejí za vzniku párů částic a antičástic (tzv. materializace záření). Při dostatečné energii fotonu pak k vytvoření těchto párů stačí i slabé elektromagnetické pole mikrovlnného pozadí vesmíru a tyto fotony začnou být tímto polem rozptylovány a bržděny. Brždění fotonu si můžeme představit jako proces neustálého vznikání a zanikání párů částic a antičástic tím, jak energetický foton prolétá fluktuacemi mikrovlnného pozadí vesmíru. A protože částice i antičástice jsou hmotné, nemohou se podle speciální teorie relativity pohybovat rychleji, než světlo a budou výslednou rychlost fotonu snižovat.

S tvrzením, že nulová klidová hmotnost fotonu vyplývá ze speciální teorie relativity je to ještě složitější. Speciální teorie relativity byla původně odvozena z Maxwellovy teorie světla ve formě upravené Heavisidem, která žádné fotony nepředpovídá: popisuje totiž světlo jako harmonické příčné vlny, nikoliv vlnové balíky bez známek kvantování. V důsledku toho speciální teorie relativity popisuje pouze chování abstraktní harmonické vlny světla, tak jak by se šířila v naprosto plochém časoprostoru prostém všech fluktuací vakua, které se projevují jako mikrovlnné pozadí vesmíru. Existence fotonu patří k předpovědím kvantové mechaniky a ta naopak v řadě předpovědí speciální teorii relativity odporuje. Ze speciální teorie relativity existence fotonu žádným jednoduchým způsobem nevyplývá - a tak ani nemůže předpovídat jeho vlastnosti.

V éterové teorii je odpověď na první pohled přímočará: pokud nějaká částice má omezenou velikost a konečně velké zakřivení povrchu, pak má i nenulovou klidovou hmotnost. Pokud je foton tvořen jako jakási zhuštěnina vln světla, musí se zákonitě pohybovat pomaleji a to tím pomaleji, čím je hustší a těžší, tedy čím je tvořen vlnami s vyšší hustotou energie, tedy čím vyšší je jeho frekvence. Podobný výsledek předpovídá i kvantová mechanika, podle které je energie fotonu přímo úměrná jeho frekvenci E = h * f (konstanta úměrnosti je tzv. Planckova konstanta, h = 6,63 E-34 Js). Pokud vezmeme v úvahu, že energie je současně úměrná hmotnosti podle Einsteinova vztahu E = m * c^2, pak by nejlehčí možný foton byl takový, jehož vlnová délka by byla rovná průměru pozorovatelného vesmíru. Takový foton by se v něm nemohl hýbat, jeho hmotnost m = E / c^2 = h * f / c^2 by pak právě odpovídala klidové hmotnosti fotonu. Ze vzorečku vyplývá pro klidovou hmotnost fotonu hodnota asi m = 10 E- 62 kg - to je zcela jistě nenulové číslo, ale mnohem nižší, než tvoří v současné době nejpřesnější spodní experimentálně potvrzený odhad klidové hmotnosti fotonu (m ~ 10 E-27 kg). Přesto někteří fyzici  berou nenulovou klidovou hmotnost fotonu vážně a pokoušejí se ji experimentálně měřit, např. odchylkami elektromagnetických sil od Coulombova zákona.

Ve skutečnosti je situace ještě o něco složitější, pokud vezmeme v úvahu existenci mikrovlnného šumu vesmíru. Díky tomuto šumu není náš časoprostor zcela plochý, takže i foton s poměrně vysokou hmotností vůči takovému prostředí stále vystupuje jako částice s nulovou klidovou hmotou. Fotony s vlnovou délkou odpovídající mikrovlnám fakticky nemohou existovat, protože by v nich okamžitě zanikly v šumu okolních fotonů. Pro mikrovlnné pozadí tedy jiné než harmonické vlny fakticky nemohou existovat a speciální teorie pro světlo této vlnové délky platí bez problému. Otázka je, jak se budou v takovém prostředí chovat fotony s kratší vlnovou délkou. Ty se budou fluktuacemi prostředí postupně rozptylovat a tak existuje nejkratší vlnová délka, se kterou se světlo může ve vakuu pohybovat. Pro částice kosmického záření se tato mez označuje jako Greisen-Zatsepin-Kuzminův limit (tzv. GZK limit) a představuje hodnotu asi 5×1019 eV. Nad touto hodnotou se při srážkách fotonů s mikrovlnným pozadím vesmíru tvoří hmotné částice, např. piony a krátkovlnné fotony se vakuem rozptylují podobně, jako modré světlo denní oblohy na fluktuacích hustoty atmosféry.

Ještě zajímavější je osud fotonů s vlnovou délkou větší, než je mikrovlnné pozadí vesmíru. V případě rádiových a televizních vln totiž jaksi není zvykem mluvit o jejich fotonech, aniž v učebnicích nalezneme zdůvodnění, proč tomu tak je. Co se s fotony těchto vln děje? Protože mají rozměry větší, než je vlnová délka mikrovlnného pozadí, jsou tímto šumem velmi rychle rozptylovány a expandují do prostoru. Z éterové teorie vyplývá, že takové fotony se ve skutečnosti šíří rychleji než světlo jako tzv. tachyony se zápornou klidovou hmotností a tvoří tak plynulý přechod ke gravitačním vlnám, jejichž efektivní vlnová délka by byla srovnatelná s průměrem viditelné části vesmíru. Ale záporná klidová hmotnost je současně důvodem, že takové fotony jsou nestabilní a rychle expandují v důsledku své "antigravitace" (která je ve skutečnosti vyvolána tlakem záření okolního šumu mikrovlnného pozadí). Z tohoto důvodu není možné fotony pro vlnové délky větší než je mikrovlnné pozadí ani pozorovat a techyony obecně jsou v našem vesmíru vzácné.

Nezáporná klidová hmotnost krátkovlnných fotonů má rovněž svoje experimentální důsledky, o kterých se zmíním v dalších příspěvcích. Projevují se především rozptylem fotonů gamma záření při jejich šíření napříč vesmírem na veliké vzdálenosti, kdy se uplatňuje postupný rozptyl fotonů na jemných fluktuacích mikrovlnného pozadí vesmíru. Kombinace obrovských vzdáleností s vysokou hustotou energie těchto fotonů totiž představuje situaci, která způsobuje problémy prakticky všem současným fyzikálním teoriím.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

AcJjZrixDMkVOVDoXFTgKOYLOEmpoCe03:1419.7.2011 3:14:18
CAtTxvCQGgpJcDSIvbVkWfcDqB04:3615.7.2011 4:36:07
Michal PavelčíkKlidová hmotnost fotonu, pokračování.19:543.2.2010 19:54:06
Michal PavelčíkKlidová hmotnost fotonu.19:473.2.2010 19:47:59

Počet příspěvků: 4, poslední 19.7.2011 3:14:18 Zobrazuji posledních 4 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik