Фотон – не вічний й має масу?

Припущення про те, що світлові кванти – фотони – вічні й не мають маси є фундаментальним для сучасної фізики. На нього спираються чи не усі основоположні фізичні теорії, починаючи від Теорії відносності й закінчуючи Стандартною моделлю. Втім німецький фізик Джуліан Геєк з Інституту ядерної фізики ім. Макса Планка у Гайдельберзі не побоявся заперечити цей усталений постулат: фотон – не вічний й має масу. Його тривалість життя – не менше мільярда мільярдів років, а маса – 10^-54 кг. Такого висновку вчений дійшов, використовуючи дані спостереження за космічний мікрохвильовим випромінюванням за допомогою супутника НАСА «СОВЕ» (Cosmic Background Explorer; «Дослідник космічного фону»).

Для людини мільярд мільярдів років звучить майже як вічність, проте для фотона, який рухається зі швидкістю світла, - це досить короткий період часу. Так, враховуючи обґрунтований А. Ейнштейном принцип відносності часу, можна обрахувати, що якби разом з фотоном рухався спостерігач, то для нього ця «вічність» промайнула би лише за три роки.

Як стверджує Джуліан  Геєк, якщо фотони мають ненульову масу, а відтак і обмежену тривалість життя, то й фундаментальна фізична константа – швидкість світла – більше не матиме сенсу. Хоча обмеження абсолютної  швидкості все-одно існуватиме, це вже не буде «швидкість світла» в сучасному сенсі, адже фотон муситиме мандрувати з меншою швидкістю, ніж абсолютно допустима, й підпадатиме під ті самі закони, що й усі інші тіла й елементарні частинки. Крім того, швидкість фотонів у вакуумі залежатиме від їхньої довжини хвилі, тож блакитне світло ширитиметься швидше, ніж червоне, а фотони з далеких зір прилітатимуть на Землю у різний час, залежно від довжини їхніх хвиль. Немає також сенсу говорити, що фотон, що має масу, скоригує чи не усі постулати сучасної фізики, включно із Стандартною моделлю, що описує взаємодію між елементарними частинками, та рівняннями Максвела, що встановлюють властивості електричних та магнітних полів, породжених частинками та струмами.

Геєк зробив свої висновки на основі даних спостереження за космічним мікрохвильовим фоном – відлунням, яке залишилось після Великого вибуху, - зібрані нині не діючим супутником НАСА «COBE» (Cosmic Background Explorer; «Дослідник космічного фону»), який запустили у 1989 р. Цей фон підпадає під термодинамічний закон випромінювання абсолютно чорного тіла, згідно з яких випромінювання абсолютно чорного тіла має особливий спектр, що залежить лише від температури. Якщо при цьому припустити, що фотон існує скінченний відрізок часу, то кількість світла у червоному спектрі мала б бути меншою, ніж кількість світла у блакитному, адже фотони з більшою довжиною хвилі повинні розпадатися скоріше, і закон випромінювання абсолютно чорного тіла би порушився. Якщо фотони долають дуже велику відстань, наприклад доходять до нас з самих початків існування Всесвіту, то цього часу має бути достатньо, щоб підтвердити цю закономірність.

Проте дані COBE свідчать, що космічний мікрохвильовий фон поводиться майже як ідеальне чорне тіло, що підтверджує, що лише мізерна кількість фотонів (якщо такі взагалі були) розпалася впродовж 13,7 млрд. років (вік Всесвіту), й низькоенергетичних квантів майже не бракує. Втім Геєк таки спостеріг мізерну їх нестачу та, провівши обчислення, визначив, що мінімальний вік фотона становить 10¹⁸ або один мільярд мільярдів років, а маса – 10^-54 кг.

Щоб довести або спростувати ці дані, потрібно ще багато наступних досліджень, тож говорити про нове фундаментальне наукове відкриття ще дуже передчасно. Проте вже заздалегідь можна поставити декілька цікавих запитань. Якщо уявити, що фотон таки «смертний», то в який вид матерії він перероджується? На думку Геєка, це можуть бути або інші електрично нейтральні частинки без маси, які переносять сильну взаємодію кварків, що називаються глюонами, або ж стабільні частинки, що беруть участь у слабкій та гравітаційній взаємодіях, названі нейтрино (наявність маси у нейтрино дискутується серед фізиків). Це, зрештою, можуть бути і якісь інші невідомі науці частинки.   

Стаття Геєка про масу та тривалість життя фотона побачила світ у журналі Physical Review Letters 11 липня. Науковий світ визнав оригінальність ідеї вченого, але прийняв її з певним скепсисом, адже вона ґрунтується на спрощених засновках. Так, якщо припустити, що фотон має масу, значить, мандруючи з глибин космосу на Землю, він мав би взаємодіяти з космічною матерією. Частину фотонів, відтак, поглинав би, а згодом наново випромінював міжзоряний газ, повністю змінюючи їх властивості. Це сильно спотворювало б картину, яку бачив би СОВЕ, і з неї не можна було б дізнатися, чи фотони вічні чи ні. Втім, Геєк стверджує, що ці відхилення також можна обчислити, виходячи із закономірностей розподілу матерії у Всесвіті, але це завдання вже майбутніх досліджень.