جستجو در تالارهای گفتگو

فوتون ها چگونه پایدار هستند؟ امکان واپاشی فوتون‌ها به ذرات سبک‌تر، یکی از جنجالی‌ترین موضوعات فیزیک نوین به شمار می‌رود که تا کنون تلاش‌های بسیاری برای اثبات آن صورت گرفته است. یولیان هیک آلمانی یکی از محققانی است که سعی می‌کند با استناد به طیف تابش میکروموج زمینه (CMB) نشان دهد فوتون‌ها می‌توانند با احتمال قابل قبولی در طول عمر خود دچار واپاشی شوند. آیا یک فوتون می‌تواند واپاشی کند؟ تصور این موضوع که یک فوتون دچار واپاشی شود بسیار سخت است، به ویژه هنگامی که نور ستارگان دوردست را در نظر می‌گیریم که میلیون‌ها کیلومتر را در فضا طی می‌کنند تا به ما برسند. با این حال اگر فوتون‌ها دارای جرم باشند، حتی اگر این جرم بسیار کوچک و غیر قابل مشاهده باشد، احتمال واپاشی آن‌ها به ذرات سبک‌تر وجود دارد. اگر بخواهیم دنبال نشانه‌هایی برای این نوع واپاشی بگردیم، باید به قدیمی‌ترین نور موجود در کائنات یعنی تابش میکروموج زمینه (CMB) مراجعه کنیم. در مقاله‌ای که اخیرا در فیزیکال ریویو لترز چاپ شده است، یولیان هیک (Julian Heeck) از موسسه ماکس پلانک برای فیزیک هسته‌ای در هایلدبرگ آلمان نشان می‌دهد که اگر به طیف جسم سیاه CMB دقت کنیم، می‌بینیم که واپاشی فوتون‌ها امری غیر محتمل نیست و بنابراین می‌توان یک حد پایین برای طول عمر فوتون‌ها در نظر گرفت. همان‌طور که می‌دانیم، برای آنکه یک فوتون بتواند دچار واپاشی شود باید دارای جرم باشد. چرا که در غیر این صورت هیچ ذره سبک‌تری وجود نخواهد داشت که فوتون بتواند به آن فرو بپاشد. وجود یک فوتون با جرم غیر صفر از لحاظ نظری کاملا ممکن است، اما آزمایش‌هایی که با کمک میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی صورت گرفته است، جرم فوتون را تا کمتر از ده به توان منفی پنجاه و چهار کیلوگرم محدود می‌کنند. هیک با فرض این حد بالا برای جرم فوتون، یک مدل کاملا عمومی در نظر گرفت که در آن فوتون‌ها می‌توانند به ذرات سبک‌تری چون نوترینوها و یا ذرات ناشناخته واپاشی کنند. به عنوان یک قید، هیک تابش CMB را در نظر گرفت که در واقع یک تابش بسیار قدیمی گسیل شده از پلاسمای داغ و تیره‌ای است که تا چند صد هزار سال پس از بیگ بنگ وجود داشته است. طیف CMBبه خوبی با طیف تابش یک جسم سیاه ایده‌آل همخوانی دارد. این امر بیانگر آن است که تعداد بسیار اندکی از فوتون‌های CMB در طی سفر سیزده میلیارد ساله خود دچار واپاشی شده‌اند. طبق محاسبات هیک، حداقل طول عمر این فوتون‌ها پیش از آنکه دچار واپاشی شوند، در چارچوب لخت فوتون، سه سال بوده است. این زمان به نظر بسیار کوتاه می‌رسد، اما باید در نظر داشته باشیم که فوتون‌ها موجوداتی به شدت نسبیتی هستند. بنابراین هنگامی که اتساع زمانی را به حساب آوریم، یک فوتون نور مرئی در چارچوب مرجع ما برای مدت ده به توان هجده سال یا بیشتر پایدار خواهد بود.

اثر فوتو الکتریک بنا به نظریه کوانتومی ، امواج به ظاهر پیوسته الکترومغناطیسی ، کوانتیده‌اند و از کوانتومهای گسسته‌ای به نام فوتون تشکیل شده‌اند که هر فوتون دارای انرژی مشخصی است که مقدار آن فقط به فرکانس بستگی دارد. بر اساس اصل دوبروی ، در مورد ذرات دو حالت ذره‌ای و موجی در نظر گرفته می‌شود، که البته این خاصیت در دنیای میکروسکوپی بیشتر مورد مطالعه است. به عنوان مثال ، اگر ذره‌ای به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره ، چنان کوچک خواهد بود که اصلا قابل ملاحظه نیست. اما در مورد ذراتی مانند الکترون ، این طول موج قابل توجه است. بنابراین با توسل به این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند. واقعیت کوانتومهای نور نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی ، تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از “پلانک” ، “آلبرت اینشتین” توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس ، فوتون‌ها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترون‌های اتم ، انرژی خود را به آنها داده ، خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود. بعد از برخورد ، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی ، بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.