Колко тежка може да бъде една частица светлина? Учените току-що го разбраха

Имаме нова горна граница за масата на светлината.

Според измерванията на пулсиращите звезди, разпръснати из Млечния път, и тайнствените радиосигнали от други галактики, една частица светлина – позната като фотон – не може да бъде по-тежка от 9,52 × 10^-46 килограма.

Това е нищожна стойност, но откритието, че светлината изобщо има някаква маса, ще окаже значително влияние върху начина, по който тълкуваме Вселената около нас, и върху разбирането ни за физиката.

Фотоните обикновено се описват като частици без маса. Тези дискретни количества енергия преминават през пространство-времето с постоянна скорост, без да могат да се ускоряват или забавят във вакуума. Тази постоянна скорост предполага безмасовост и няма доказателства за обратното.

Въпреки това не знаем с абсолютна сигурност, че фотоните нямат никаква маса.

Една маса, различна от нулата, би имала дълбоки последици. Тя би противоречала на специалната теория на относителността на Айнщайн и на електромагнитната теория на Максуел, което вероятно би довело до нова физика и вероятно би дало отговор на някои основни въпроси, свързани с Вселената (макар че в процеса на работа ще възникнат още много други).

Ако фотонът наистина има маса, тя би трябвало да е изключително малка, за да не оказва съществено влияние върху начина, по който се появява Вселената, което означава, че просто не разполагаме с инструменти за нейното пряко измерване.

Но можем да направим косвени измервания, които да ни дадат горната граница на тази хипотетична маса, и точно това направиха група астрономи.

Екип от Университета за наука и инженерство в Съчуан, Китайската академия на науките и Университета в Нанкин анализира данните, събрани от масива Parkes Pulsar Timing Array, и данните за бързите радиоизбухвания от редица източници, за да определи колко масивна може да бъде светлината.

Апаратът за определяне на времето на пулсарите представлява масив от антени на радиотелескопи за наблюдение на неутронните звезди, които изпращат пулсиращи снопове електромагнитно излъчване на изключително точни милисекундни импулси. Бързите радиоизбухвания са изключително мощни светлинни избухвания с неизвестен произход, които се откриват в огромните междугалактически бездни на пространството.

Свойството, което учените изследват, е известно като мярка за дисперсия – един от ключовите атрибути на пулсарите и бързите радиоизбухвания. Тя се отнася до това колко силно импулсен лъч радиосветлина се разсейва от свободните електрони между нас и източника на светлина.

Ако фотоните имат маса, разпространението им в невакуумно пространство, изпълнено с плазма, ще бъде повлияно както от масата, така и от свободните електрони в плазмата. Това би довело до време на закъснение, пропорционално на масата на фотона.

Масивът за определяне на времето на пулсарите търси забавянията във времето на импулсите на пулсарите един спрямо друг. По-конкретно в рамките на свръхшироката честотна лента дисперсионните ефекти могат да бъдат сведени до минимум, което позволява на изследователите да изчислят колко забавяне може да бъде допринесено от хипотетичната маса на фотона.

Същевременно дедисперсията на сигналите от бързите радиоизбухвания също може да покаже забавяне, пропорционално на масата на фотона.

Чрез внимателно изучаване на тези данни екипът е успял да изведе горната граница от 9,52 × 10^-46 килограма (или, в еквивалентна енергия, 5,34 × 10^-10 електронни волта). Трябва да се отбележи, че това не означава, че фотонът има маса; това просто означава, че имаме нова граница, в която масата би могла да попадне, ако съществуваше.

„За пръв път – пишат авторите – взаимодействието между ненулевата маса на фотона и плазмената среда е взето предвид и изчислено, докато фотонът се разпространява през плазмената среда“.

Това не е много по-ниско от измерването, публикувано през 2023 г., но е прецизирано.. Това означава, че учените, изследващи ефектите от хипотетичната маса на фотона, разполагат с по-точен диапазон, в който да работят.

Изследването също така показва, казват астрономите, необходимостта от високопрецизни радиотелескопи. Едва ли скоро ще успеем да претеглим един фотон, но постоянното получаване на данни с по-високо качество ще ни позволи да стесним още повече обхвата на измерването, а с това и потенциалните му ефекти върху Вселената около нас.