Сблъсъкът на фотони • Игор Иванов • популярните задачи на науката върху "елементи» • Физика

Фиг. 1. Съвременните телескопи ни позволяват да видим астрономически обекти, отдалечени от нас на милиарди светлинни години. В центъра на картината има едва забележима точица, разположен между две вертикални ленти (отворите снимката в пълен резолюция!). Този квазар е на разстояние 12,7 милиарда светлинни години, което съответства на космологичната червено отместване Z = 6. Фактът, че светлината от такива далечни обекти идва при нас, може да се използва за определяне на частта от фотон разсейване. Изображение с apod.nasa.gov сайт

В научните и популярни книги, посветени на съвременната физика често подчерта колко тясно свързани помежду си ултра-малки и много големи обекти, което означава, свойствата на най-малките елементарни частици и еволюцията на Вселената. Поради тази причина, астрономически наблюдения и експерименти върху ускорители се допълват взаимно, което помага да се възстанови заедно картина на нашия свят. В тази задача той се приканва да създаде своя собствена една такава връзка между свойствата на елементарните частици и свойствата на Вселената по-големите мащаби.

Съвременните телескопи ни позволяват да се разгледа обектите отстранени от нас милиарди светлинни години (фиг. 1). С тези наблюдения, можем да погледнем в момент, когато Вселената е била само няколко процента от сегашния си възраст. Фактът, че ние виждаме такива далечни обекти като компактни петна, означава, че светлината, излъчвана от тях, които прелитат над милиарди години, половината от Вселената, е в състояние да ни достигне почти без изкривяване. С други думи, фактът, че тези наблюдения квазар означава, че Вселената е достатъчно прозрачно, за да оптични фотони.

Въпреки това, по пътя за нас тези фотони се движат през не е напълно празно пространство. Дори и при отсъствие на облаци прах пространство се запълва с електромагнитно лъчение. Тази светлина на звездите, и топлинното излъчване на горещия газ, а реликва микровълнова радиация, останала от Големия взрив. Това лъчение е навсякъде, и фотони в цялата desyatimilliardoletnego пътя си летят през тази радиация (фиг. 2).

Фиг. 2. фотонът, излъчен от отдалечен квазар, лети в една вселена, изпълнена с радиация, и на път обект на многобройни опити за сблъсъци и разсейване на фотони

Радиация, на езика на квантовата механика - набор от фотони. Оказва се, че всяка оптична фотон космически кораб някога да ни посетите от отдалечен квазар - един вид изключително дълъг microscience на сблъсъка на фотони, доставени ни от природата. Всяка от оптични фотоните, излъчвани от квазара, имаше много "опити" да се изправят един на фотоните, които пълнят Вселената. Вероятността, че един такъв опит ще доведе до истински сблъсък и разсейване на фотони е много малък. Благодарение на квантовите ефекти не е нула, но все още е много малка. Фактът, че фотонът, преди да отлетя същото, което означава, че нито един от многобройните опити се провалили. Това означава, че можем да се получи граница на вероятността от сблъсък на два фотона един с друг.

Във физиката, тази вероятност се изразява като секцията за разсейване на кръст. В класическата механика, раздела за разсейване на кръст - това е по-платформа, което е необходимо, за да стигнем до възникване на разсейване. Например, сблъсъка на две перли на равно диаметър г е равно на разсейване напречно сечение πd 2.

Концепция на напречното сечение на разсейване може да бъде прехвърлена към удари между частиците. Само тук ние трябва да помним, че частиците помежду си, са "прозрачни" и следователно напречното сечение на разсейване далеч не е винаги свързан с геометричния напречното сечение на частиците. Например, когато два високоенергийни протони се сблъскват една с друга, секцията разсейване напречното съответства приблизително на тази класическа формула:

Въпреки това, ако протон е за инциденти неутрино, които Слънцето разпръсква с енергия от 1 MeV, тяхното сечение сблъсък е много по-малък:

Ето защо неутриното може лесно да премине през земята, за тях това е почти прозрачна.

Фактът, че оптичните фотоните от далечни квазари се носеха надолу към нас, без никакъв проблем, означава, че напречното сечение на разсейването на два фотона σγγ много малко. Точната стойност не можем да получите тези астрономически наблюдения, но ние ще бъдем в състояние да определи горна граница на стойността на напречното сечение (това означава, че не е нищо повече от една определена стойност).

Задайте горна граница на напречното сечение на сблъсък на два оптични фотони, на базата на самият факт, че ние виждаме далечните квазари. радиационни свойства, изпълва вселената, опитайте да се намерят в мрежата.

Съвет 1

Обичайната представа за размера на един фотон не се прилага, но това не помогне, тъй като фотоните помежду си почти прозрачни. Поради това е необходимо да се подходи към проблема от другата страна, като се използва средната свободен пробег. Фактът, че ние виждаме далечните фотоните означава, че средната им безплатно пътека през една вселена, изпълнена с радиация, е най-малко 10 милиарда светлинни години.

Съвет 2

Погледнете отново фигура. 2. Представете си, че вместо фотони става въпрос за изредените газови молекули. Нека известна концентрация и известни молекули разрез на тяхната сблъсък с друг. Начертайте пространствената област, която "усеща" молекула в движение, и да намерят от порядъка на докъде тази молекула е свободен да лети, преди да се сблъскате с всяка друга молекула.

Получената връзката между концентрацията, секцията за разсейване на кръст и средният свободен пътя сега може да се прилага фотони.

Ние се получи първия връзката по-горе. Ако молекулата е свободно летял в ред разстояние направо Л. го по пътя за "усещане" в цилиндричната част на σL на звука пространство. Ако концентрацията на молекули е равно на п. в цилиндъра в средата достига nσL молекули. Е дължината, при която този брой е приблизително равна на една, и там е средната свободен пробег. Така, ако известна концентрация и път дължина, напречното сечение може да се намери от

В нашия проблем, средният свободен пробег е най-малко 10 милиарда светлинни години (10 на 26 м). Сега искате да извърши оценка на концентрацията на фотони във вселената (оптичен диапазон), а не в галактиката, и междугалактически пространство, защото светлината от квазара минава голяма част от пътя си там. В неравен сближаване, това може да стане по следния начин: преброя фотони на всички звезди е отхвърлено по време на съществуването на Вселената, и да си поделят този номер с размера на видимата част на Вселената.

В видимата част на Вселената - милиарди галактики. Във всяка галактика - десетки милиарди звезди. Типично звезда - малко димер слънце. Слънцето излъчва около 4 · 26 октомври вата, така типична звезда ще отчита стойността на няколко пъти по-малко. Разгъната се оказва, че лъчистата мощност на всички звезди във видимата вселена - около 10 46 вата.

Оптичен фотон има енергия от около 1 ЕГ, т.е. 10 -19 J. Така че, всички звезди правят от порядъка на 10 65 фотони в секунда. Оказва се, че няколко милиарда години, произведени около 10 82 фотони. Ако тези фотони се разпределят през целия видимата част на Вселената, ще означава концентрация на оптични фотони nγ ≈ 10 април парчета / m 3 Общо получат горна граница на напречното сечение на оптичен фотон разсейване:

Разбира се, ние сме използвали за оценките са много груби приближения, и със сигурност може да се усъвършенства, така че отговорът е вероятно да се промени от един или два порядъка.

послеслов

Наблюдателни оценки от по-горе - това е добре, но това, което се казва тук, QED? В рамките на раздела за разсейване на кръст на два фотона може да се брои с доста висока степен на точност. Оказва се, че напречното сечение е силно зависима от енергията на фотон и оптичните фотоните е от порядъка на 10 -68 m 2 т.е. почти четиридесет порядъка по-малка от горната граница на контакт. Не много полезна оценка, която получихме, но ето, че е важно не толкова броя, но е възможно това, за да се получи граница.

Интересно е да видим какво ще стане с увеличаване на енергията на фотони. Напречното сечение на изчисления фотон разсейване в квантовата електродинамика, с рязко се увеличава. Например, ако това не е обикновен лек, но фотоните с енергия от стотиците GeV, които се сблъскват с фотони реликтовото микровълново лъчение, секцията вече достига 10 -34 м 2. Концентрация микровълнови фотони във Вселената кладенец се измерва: тя е 410 милиона единици на кубичен метър. Ако сега се изчисли средната свободен път за високоенергийната фотона, че ще бъде няколко пъти по-малки от размера на Вселената. Но за тези фотони вселена става непрозрачен вече!

Тази констатация има преки последици за спазване на високите енергии астрофизиката. Оказва се, че е безсмислено да се опита да хване ултраенергийните енергийни фотони от много далечни квазари или гама-лъчи. Тези фотони, дори ако те се излъчват, все още пред нас, няма да стигнат. Est граница непрозрачността на фотони с енергия от 100 GeV, и по-горе е показано на фиг. 3.

Фиг. 3. граница прозрачността на Вселената за фотони с енергии от 100 GeV и по-високи червени смени от нула до 0.7. Сенчестият площ съответства на тези енергии и разстояния от източника, в който фотоните да имат вече не достигат. Различните криви съответстват на изчисления на различни групи, точката - резултатите от успешно откриване на гама лъчи на свръхвисока енергия от няколко квазари. Изображение с pisgm.ucolick.org сайт

Същият резултат може да изглежда, и от друга страна, по-положителен гледна точка. Фотоните могат да бъдат използвани по-висока енергия като средство за изучаване на междугалактически среда. Чрез измерване на колко всеки фотон достигне САЩ от астрофизични източници на известни разстояния, може буквално да "чувстват навън" концентрацията на радиация в междугалактически пространство! Проучването на тази величина (EBL, извън- галактични фон светлина) е предмет на много статии през последните години.