Perlanggaran foton • Igor Ivanov • Masalah popular saintifik pada "Unsur" • Fizik

Perlanggaran foton

Rajah. 1. Teleskop moden membolehkan kita melihat objek astronomi yang berbilion-bilion tahun cahaya dari kami. Di tengah-tengah gambar ini terdapat speck yang tidak dapat dilihat di antara dua garis menegak (buka gambar dalam resolusi penuh!). Ini adalah quasar yang terletak pada jarak 12.7 bilion tahun cahaya, yang sepadan dengan zarah merah kosmologi z = 6. Fakta bahawa cahaya dari objek jauh yang sampai kepada kita boleh digunakan untuk menentukan seksyen salib untuk penyebaran foton. Imej dari apod.nasa.gov

Dalam buku-buku sains yang popular mengenai fizik moden, ia sering menekankan betapa obyek-obyek super-kecil dan super-besar bersambung antara satu sama lain, iaitu sifat-sifat zarah elementer terkecil dan evolusi seluruh Alam Semesta. Atas sebab ini, pemerhatian astronomi dan eksperimen pada collider melengkapi antara satu sama lain, membantu bersama-sama memulihkan gambar dunia kita. Dalam tugas ini, adalah dicadangkan untuk mewujudkan satu hubungan seperti ini antara sifat zarah-zarah asas dan sifat-sifat alam semesta pada skala terbesar.

Teleskop moden membolehkan kita mempertimbangkan objek yang berbilion-bilion tahun cahaya dari kita (Gamb.1). Terima kasih kepada pemerhatian-pemerhatian ini, kita dapat melihat masa ketika zaman semesta adalah hanya beberapa peratus daripada umur semasa. Fakta bahawa kita melihat benda-benda terpencil seperti tongkat padat bermakna bahawa cahaya yang mereka pancarkan, setelah terbang lebih separuh alam semesta selama berbilion tahun, berjaya mencapai kita hampir tanpa gangguan. Dalam erti kata lain, fakta yang sangat mengamati quasar ini bermakna bahawa Alam semesta adalah sangat telus bagi foton optik..

Walau bagaimanapun, dalam perjalanan kepada kita, foton ini tidak bergerak sama sekali melalui ruang kosong yang benar-benar kosong. Walaupun tanpa adanya awan gas dan debu, ruang itu dipenuhi radiasi elektromagnetik. Ini adalah cahaya bintang, dan sinaran terma gas panas, dan radiasi latar belakang gelombang mikro, yang ditinggalkan dari era Big Bang. Radiasi ini wujud di mana-mana, dan foton terbang melalui sinaran ini sepanjang laluan sepuluh bilion tahun mereka (Rajah 2).

Rajah. 2 Foton, yang dipancarkan oleh quasar jauh, terbang melalui Alam Semesta, dipenuhi radiasi, dan dalam perjalanannya mengalami banyak percubaan bertabrakan dan hamburan pada foton ini.

Sinaran, dalam bahasa mekanik kuantum, adalah satu set foton.Ternyata setiap foton optik yang telah menjangkau kita dari quasar jauh adalah sejenis percubaan mikro superlong pada perlanggaran foton, yang disampaikan kepada kita secara semula jadi. Setiap foton optik yang dipancarkan oleh quasar mempunyai banyak "percubaan" untuk bertembung dengan salah satu foton yang mengisi Semesta. Kemungkinan bahawa satu cubaan sedemikian akan membawa kepada perlanggaran sebenar dan penyebaran foton sangat kecil. Oleh kerana kesan kuantum, ia tidak sifar, tetapi masih sangat kecil. Hakikat bahawa foton telah diterbangkan kepada kita bermakna tiada satu pun daripada banyak percubaan ini telah dinobatkan dengan kejayaan. Dan ini bermakna bahawa kita boleh mendapatkan had pada kebarangkalian dua foton bertabrakan antara satu sama lain.

Dalam fizik, kebarangkalian ini dinyatakan dalam bentuk seksyen salib yang berselerak. Dalam mekanik klasik, seksyen salib yang berselerak adalah platform melintang yang diperlukan untuk mendapatkan penyebaran berlaku. Sebagai contoh, apabila dua bola bertabrakan dengan diameter yang sama d seksyen rentas berselerak adalah πd2.

Konsep seksyen keratan hamburan boleh dipindahkan ke pelanggaran zarah-zarah asas. Hanya di sini ia mesti diingati bahawa zarah bagi satu sama lain adalah "lut sinar", dan oleh itu bahagian silang untuk penyebaran tidak selalu selalu dikaitkan dengan seksyen zarah geometri.Sebagai contoh, apabila dua proton bertenaga tinggi bertabrakan antara satu sama lain, bahagian silang serabutan kira-kira sesuai dengan formula klasik ini:

Walau bagaimanapun, jika neutrino dengan tenaga 1 MeV adalah insiden pada proton, maka keratan rentas perlanggaran adalah lebih kecil:

Itulah sebabnya neutrinos dapat melewati Bumi dengan mudah: ia hampir telus bagi mereka.

Fakta bahawa foton optik dari quasar jauh menjangkau kita tanpa masalah bermakna seksyen salib penyebaran dua foton σγγ sangat sedikit. Kita tidak boleh mendapatkan nilai yang tepat dari pemerhatian astronomi ini, tetapi kita akan dapat menetapkan batas dari atas pada nilai seksyen salib ini (iaitu, ia tidak lebih daripada nilai tertentu).

Tugas

Pasang had atas pada bahagian silang untuk perlanggaran dua foton optik, berdasarkan fakta semata-mata bahawa kita melihat quasar jauh. Cuba cari sifat-sifat sinaran yang mengisi Alam Semesta dengan sendiri di web.


Petua 1

Konsep saiz yang biasa tidak berkenaan dengan foton, dan ia tidak akan membantu, kerana foton untuk satu sama lain hampir telus. Oleh itu, kita mesti mendekati masalah di sisi lain, dengan menggunakan panjang laluan bebas.Fakta bahawa kita melihat foton jauh bermakna bahawa laluan bebas mereka melalui Alam Semesta, dipenuhi radiasi, sekurang-kurangnya 10 bilion tahun cahaya.


Petua 2

Lihatlah gambar sekali lagi. 2. Bayangkan bahawa bukan foton kita bercakap mengenai gas molekul yang jarang berlaku. Biarkan kepekatan molekul dan keratan silang masing-masing diketahui. Lukis rantau spatial bahawa satu molekul "terasa" ketika ia bergerak, dan mencari mengikut magnitud berapa molekul ini boleh terbang bebas sebelum bertabrakan dengan beberapa molekul lain.

Hubungan yang terhasil antara kepekatan, hamparan sekatan silang, dan panjang laluan bebas kini boleh digunakan untuk foton.


Penyelesaian

Kami mula-mula memperoleh sambungan yang diterangkan di atas. Sekiranya molekul itu telah diterbangkan dalam garis lurus Lmaka dia "merasakan" sebahagian silinder ruang di sepanjang jalan. σL. Jika kepekatan molekul adalah n, maka purata silinder ini akan jatuh nσL molekul. Panjang di mana angka ini hampir sama dengan satu adalah panjang laluan percuma purata. Oleh itu, jika kepekatan dan panjang laluan diketahui, keratan rentas boleh didapati melalui

Dalam masalah kita, laluan percuma minus adalah sekurang-kurangnya 10 bilion tahun cahaya (1026 m). Kini diperlukan untuk menganggarkan kepekatan foton di alam Semesta (dalam jarak optik), dan bukan di galaksi, tetapi di ruang intergalaktik, kerana cahaya dari quasar melintas bahagian utama jalannya di sana. Dalam penghampiran yang paling kasar, ini boleh dilakukan seperti berikut: mari kita menghitung berapa banyak foton dipancarkan oleh bintang semasa zaman Alam Semesta, dan membahagi nombor ini dengan jumlah bahagian yang kelihatan di Semesta.

Di bahagian yang kelihatan dari alam semesta – berbilion galaksi. Dalam setiap galaksi – puluhan berbilion bintang. Bintang biasa sedikit redup daripada Matahari. Matahari memancarkan kira-kira 4 · 1026 Watt, jadi untuk bintang biasa, kami mengambil nilai beberapa kali lebih kecil. Ternyata kuasa radiasi semua bintang di bahagian Universe adalah sekitar 1046 W.

Foton optik mempunyai tenaga kira-kira 1 eV, iaitu 10-19 J. Jadi semua bintang menghasilkan kira-kira 1065 foton per saat. Ternyata dalam beberapa bilion tahun sekitar 10 dihasilkan.82 foton. Sekiranya anda mengedarkan foton-photon ini ke atas keseluruhan bahagian Universe, anda akan mendapat kepekatan rata-rata foton optik nγ ≈ 104 keping / m3. Jumlah kami mendapat had atas seksyen saliran foton optik:

Sudah tentu, kami menggunakan perkiraan yang sangat kasar untuk anggaran, dan mereka pastinya boleh disempurnakan, jadi jawapannya mungkin berubah dengan satu atau dua pesanan magnitud.


Selepas perkataan

Anggaran pemerhatian dari atas adalah baik, tetapi apa elektrodinamika kuantum katakan di sini? Dalam rangka kerja, sekatan salib yang berpecah dua foton boleh dikira dengan ketepatan yang cukup tinggi. Ternyata keratan rentas sangat tergantung pada tenaga foton, dan untuk foton optik ia adalah dari urutan 10-68 m2, iaitu hampir empat puluh magnitud magnitud yang kurang daripada had atas yang ditetapkan oleh kami. Kami tidak mendapat perkiraan yang sangat berguna, tetapi ia tidak begitu banyak bilangan yang penting kerana fakta bahawa ia mungkin untuk mendapatkan sekatan.

Sangat menarik untuk mengikuti apa yang berlaku dengan peningkatan tenaga foton. Bahagian potongan hamburan foton yang dikira dalam elektrodinamika kuantum meningkat dengan ketara. Sebagai contoh, jika kita tidak bercakap tentang cahaya biasa, tetapi tentang foton dengan tenaga beratus-ratus GeV, yang bertabrakan dengan foton radiasi latar belakang gelombang mikro, maka bahagian silang sudah mencapai 10-34 m2. Kepekatan foton gelombang mikro di alam semesta diukur dengan baik: ia adalah 410 juta unit setiap meter padu.Jika kita kini mengira panjang laluan bebas untuk foton tenaga tinggi, maka ia akan menjadi beberapa kali lebih kecil daripada saiz Universe. Di sini untuk foton semacam alam semesta sudah menjadi legap!

Kesimpulan ini mempunyai kesan langsung untuk pemerhatian astrofizik tenaga tinggi. Ternyata tidak mustahil untuk cuba menangkap foton tenaga ultrahigh dari quasar terlalu jauh atau suar gamma. Foton semacam itu, walaupun ia dipancarkan, tidak akan sampai kepada kita. Had opacity anggaran bagi foton dengan tenaga dari 100 GeV ke atas ditunjukkan dalam Rajah. 3

Rajah. 3 Batasan ketelusan alam semesta untuk foton dengan tenaga sebanyak 100 GeV dan lebih tinggi pada redshifts dari sifar hingga 0.7. Kawasan yang dipancarkan sepadan dengan tenaga dan jarak sedemikian kepada sumber, di mana foton tidak sampai kepada kita. Keluk yang berbeza jawab pengiraan kumpulan yang berbeza mata – Keputusan pengesanan sinar gamma yang berjaya dengan tenaga ultra tinggi dari beberapa kuarsa. Imej dari pisgm.ucolick.org

Kita boleh melihat hasil yang sama dari sudut pandang yang lebih positif lagi. Foton dengan tenaga yang tinggi boleh digunakan sebagai alat untuk mengkaji medium intergalaktik.Dengan mengukur berapa banyak foton menjangkau kita dari sumber astrofizik yang terletak di jarak yang diketahui, seseorang secara literal boleh "meneliti" konsentrasi radiasi di ruang intergalaktik! Kajian nilai ini (EBL, latar belakang extragalactic cahaya) menumpukan banyak artikel dalam beberapa tahun kebelakangan ini.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: