Thời gian sống của photon là bao nhiêu?

Photon – lượng tử của ánh sáng hay bức xạ điện từ khác – thường được xem là có khối lượng bằng không. Nhưng một số lí thuyết cho phép photon có một khối lượng nghỉ nhỏ và một hệ quả sẽ là photon có thể phân hủy thành những hạt sơ cấp nhẹ hơn. Nếu đúng như vậy thì thời gian sống của một photon sẽ là bao nhiêu? Đó là câu hỏi được nêu ra bởi một nhà vật lí ở Đức, ông đã tính ra giới hạn dưới cho thời gian sống của photon là ba năm trong hệ quy chiếu của photon đó. Tức là bằng khoảng một tỉ tỉ (1018) năm trong hệ quy chiếu của chúng ta.

Một nghiên cứu mới đề xuất rằng thời gian sống của photon là một tỉ tỉ năm

Một nghiên cứu mới đề xuất rằng thời gian sống của photon là một tỉ tỉ năm

Vấn đề khối lượng

Khái niệm photon có thời gian sống hữu hạn, và do đó có khối lượng, thật khó hình dung. Thật vậy, các nhà thiên văn quan sát các vật thể vũ trụ ngoài xa thường phát hiện ra các photon đã hàng tỉ năm tuổi. Nhưng một số lí thuyết đề xuất rằng photon có khối lượng nghỉ khác không, dù là nhỏ - giới hạn trên cho khối lượng của photon là 10-18 eV hay 10-54 kg nhờ các thí nghiệm với điện trường và từ trường. Và với khối lượng nhỏ này, một photon có thể phân hủy thành những hạt sơ cấp khác nhẹ hơn, ví dụ như một cặp neutrino nhẹ nhất và phản neutrino, hoặc thậm chí là những hạt mà hiện nay chúng ta không biết tới và nằm ngoài Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản.

Nhà nghiên cứu Julian Heeck tại Viện Vật lí Hạt nhân Max Planck ở Heidelberg, Đức, đã chuyển sang các quan sát vũ trụ để tìm kiếm dấu hiệu của phân hủy photon này (Phys. Rev. Lett. 111 021801). Ông khảo sát bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), một tàn dư của Big Bang xuất hiện lúc vũ trụ còn rất non trẻ - chỉ khoảng 380.000 năm tuổi.

Bức xạ nền vũ trụ

Trước thời điểm vừa nói, vật chất và bức xạ liên hệ mật thiết với nhau. Nhưng khi vũ trụ trải qua một giai đoạn tăng trưởng cực nhanh gọi là “lạm phát” và giãn nở, thì plasma nóng gồm các electron và hạt nhân nhẹ đã đủ lạnh để cho phép các nguyên tử trung hòa ra đời. Sự “mất kết hợp” này của vật chất và bức xạ đột ngột cho phép các photon truyền đi tự do trong khắp vũ trụ. Theo thời gian, bước sóng của chúng bị giãn ra bởi sự giãn nở của vũ trụ, để lại một ánh bức xạ le lói trong vùng vi sóng của quang phổ theo mọi hướng mà chúng ta có thể phát hiện ngày nay.

Có hơn 100 thí nghiệm nghiên cứu CMB kể từ khi nó được phát hiện ra lần đầu tiên, ví dụ như vệ tinh COBE (Cosmic Background Explorer) của NASA, WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) của NASA, và gần đây là hơn là sứ mệnh Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA); chúng đã thực hiện các phép đo ngày càng chính xác hơn của bức xạ này. Thật vậy, phổ CMB là phổ bức xạ vật đen trong tự nhiên từng được người ta đo chính xác nhất.

Thời gian sống dài

Heeck đã sử dụng quang phổ này làm một ràng buộc cho các tính toán của ông – ông sử dụng dữ liệu cực kì chính xác từ sứ mệnh COBE và so sánh nó với quang phổ do ông tính được, tức có xét đến phân hủy photon.

Nếu photon có khối lượng và đang phân hủy thành những hạt nhẹ hơn, thì mật độ số lượng photon trong CMB sẽ giảm khi các photon truyền đi. Nhưng hóa ra như vậy sẽ đồng nghĩa là phổ CMB sẽ không còn khớp với đường cong nhiệt gần như hoàn hảo mà người ta đã quan sát thấy. Heeck lí giải rằng vì CMB gần như là một vật đen hoàn hảo, cho nên có rất ít photon, nếu có, sẽ phân hủy trong 13,8 tỉ năm tồn tại của vũ trụ và vì thế các phép đo CMB có thể ràng buộc thời gian sống của photon.

Sử dụng kết hợp các ràng buộc khối lượng và CMB, Heeck tính được thời gian sống của photon trong hệ quy chiếu nghỉ của riêng nó là ba năm. Nhưng vì những photon có khối lượng nhỏ xíu này truyền đi gần bằng tốc độ ánh sáng, nên sự giãn nở thời gian phải được tính đến để có được thời gian sống của chúng trong hệ quy chiếu của chúng ta – và con số này được tính là vào khoảng 1018 hay một tỉ tỉ năm. Muốn tính chính xác hơn con số này là không đơn giản, vì như thế đòi hỏi phải khảo sát vũ trụ đến những thời điểm sớm hơn.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Theo physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Các bài khác


Khi dòng điện tác dụng lên nam châm
08/06/2022
Khả năng khai thác lượng điện năng có vẻ vô tận là một trong những nền tảng của thế giới hiện đại. Công nghệ ấy
Nhận thức lịch sử về nam châm
28/05/2022
Vào năm 1600, một bác sĩ người Anh cho biết ngoài trọng lực, Trái Đất còn tác dụng những lực khác khi ông chỉ ra rằng hành
Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com