В пустом пространстве частица света — фотон — не имеет массы. Следовательно, свободный фотон распространяется с предельной скоростью света.
Однако в плазме, содержащей свободные электроны, фотон приобретает массу. Квадрат энергии фотона, E, равен квадрату произведения импульса фотона на скорость света, pc, плюс квадрат энергии покоя фотона, mc². Энергия покоя фотона равна произведению постоянной Планка на так называемую плазменную частоту. Плазменная частота масштабируется как квадратный корень плотности электронов. Если настроить плотность так, чтобы она точно совпадала с частотой фотона, то получаем E=mc², и свет полностью останавливается, не распространяясь.
В более общем смысле, плазма замедляет фотоны при передаче сигналов до скорости, меньшей скорости света. Я защитил кандидатскую по физике плазмы и использовал это фундаментальное понимание для диагностики плотности облаков свободных электронов. Теперь мы знаем, что Вселенная была заполнена свободными электронами в течение первых 400 000 лет после Большого взрыва, а также на протяжении последних 12,8 миллиардов лет космической истории, после так называемой «эпохи реионизации», которую я подробно изучал большую часть своей карьеры в астрофизике. Замедление скорости распространения радиофотонов действительно наблюдается для быстрых радиовсплесков, коротких радиосигналов, зафиксированных на космических расстояниях и обычно длящихся тысячные доли секунды.
Фотон является посредником электромагнитного взаимодействия. Наделение фотонов массой делает их подобными массивным мезонам, которые переносят сильное взаимодействие. В 1938 году физик Хидэки Юкава опубликовал теорию, объясняющую краткодействующее сильное взаимодействие между протонами и нейтронами как обмен мезонами, за что получил Нобелевскую премию в 1949 году. В статическом пределе потенциал такого взаимодействия обратно пропорционален расстоянию, как потенциал электрического заряда, дополненный дополнительным экспоненциальным множителем, содержащим минус расстояние в единицах длины волны де Бройля релятивистского мезона, h/mc, где h — постоянная Планка. Применение этого результата к массивному фотону в плазме предполагает экспоненциальное подавление статического электрического потенциала заряда, находящегося в плазме. Это действительно так. Электрический заряд в плазме экспоненциально экранируется на расстоянии, равном длине Дебая, которая равна длине волны де Бройля для электронов на их характерной тепловой скорости.
Фотоны с частотой ниже плазменной частоты не могут проникать в плазму и экспоненциально затухают на глубине, равной h/mc. Зеркала отражают свет, потому что они покрыты металлической поверхностью, содержащей свободные электроны. В следующий раз, глядя в зеркало, помните, что вы видите свое отражение, потому что плазменная частота металлического покрытия зеркала превышает частоту отражаемых фотонов. Высокоэнергетические гамма-лучи прошли бы сквозь зеркало и не отразились бы.
В 1992 году я написал статью с физиком плазмы Расселом Кулсрудом, в которой мы рассматривали фундаментальный вопрос о массе света. Принцип эквивалентности в теории гравитации Альберта Эйнштейна постулирует, что гравитационная масса всех частиц равна их инерционной массе, то есть массе, фигурирующей в соотношении между их энергией и импульсом. Но справедливо ли это для массы фотона в плазме? Будет ли фотон взаимодействовать с гравитацией с той же массой? Рассел и я показали, что это действительно так для однородной плазмы, правильно определенной в гравитационном поле. Иными словами, гравитационная масса фотона действительно равна его инерционной массе.
Поскольку масса фотона зависит от плотности электронов, она также может рассматриваться как показатель преломления среды. Линзы в очках сделаны таким образом, чтобы фокусировать или расфокусировать свет в зависимости от показателя преломления материала, из которого они изготовлены. Волновой фронт света можно представить как ряд шагающих, которые движутся со скоростью, зависящей от их окружения. Если граница новой среды, в которой они движутся медленнее, наклонена под углом относительно их направления движения, то те, кто входит в границу первыми, замедлятся раньше, заставляя ряд наклоняться в сторону. Лучи света преломляются по той же причине.
Облако свободных электронов обычно рассеивает свет, тогда как гравитация скопившейся массы фокусирует свет. Для большинства астрофизических систем, таких как галактики или скопления галактик, гравитация преобладает и вызывает гравитационное фокусирование света, известное как «гравитационное линзирование». Изображения скоплений галактик, полученные телескопом имени Джеймса Уэбба, демонстрируют красивые примеры фоновых объектов, гравитационно линзированных. На этой неделе был зафиксирован первый зигзагообразный линзированный объект, в котором участвуют две линзы по линии наблюдения. Гравитационное линзирование также можно рассматривать как эффективный показатель преломления пространства-времени относительно пустого пространства.
Сегодня перед утренней пробежкой я вывел массу гравитона, который передает гравитационные взаимодействия, по аналогии с массой фотона в плазме, заменив электромагнитное взаимодействие в плазменной частоте на гравитационное взаимодействие с фоновым веществом. При средней плотности Вселенной я рассчитал длину волны де Бройля массивного гравитона, равной примерно 5-кратной величине космического горизонта. Следовательно, эта масса гравитона не имеет последствий для космологии в пределах наблюдаемого объема Вселенной.
Масса, приобретаемая фотоном при взаимодействии с плазмой, напоминает так называемый механизм Хиггса, благодаря которому все массивные частицы приобретают свою массу и за который была присуждена Нобелевская премия по физике в 2013 году. Подобные аналогии подчеркивают красоту природы. Тем не менее мы до сих пор не знаем природу 95% космической массы, представленной темной энергией и темной материей. Наши телескопные линзы не могут непосредственно зафиксировать эти компоненты. Как я сказал сегодня журналисту, наше знание — это маленький остров в океане невежества. То, что мы можем себе представить, — лишь малая часть того, что может быть.
Если вам нравится читать статьи на нашем канале и вы хотите помочь в его развитии, вы можете поддержать канал донатом: