Fotony, czyli bezmasowi hipsterzy zamrożeni w czasie

Fotony to zdecydowanie najpospolitsze cząstki występujące we wszechświecie. Nie przeszkadza im to pozostawać jednocześnie cząstkami niezwymi, zdolnymi postrzegać czas i przestrzeń na swój, trudny do pojęcia sposób.

Zazwyczaj charakteryzując którąś z cząstek elementarnych, skupiam się na zjawiskach płynących z mechaniki kwantowej. Tym razem weźmiemy się za sprawę od drugiej strony, rozpatrując obraz fotonu w zgodzie z teorią względności. Jednak zanim to zrobimy, warto w kilku zdaniach przedstawić bohatera niniejszego tekstu.

Masa jest passé

Co wiemy o fotonach? Przede wszystkim to cząstki należące do rodziny bozonów. Nie tworzą materii, lecz stanowią nieodzowny składnik fizycznej rzeczywistości, służąc jako nośnik oddziaływań. Konkretniej, fotony pełnią rolę kwantów pola elektromagnetycznego. Mamy więc z nimi do czynienia za każdym razem razem gdy odbieramy fale radiowe, przygrzewamy pizzę w mikrofalówce, badamy odległy rozbłysk gamma lub po prostu spoglądamy na świat swoimi oczętami. Każda fala elektromagnetyczna, w tym promień światła, to nic innego niż strumień mknących przez przestrzeń fotonów.

Najciekawszym z atrybutów kwantów światła, jest bez wątpienia ich bezmasowość. O tym fakcie słyszeli nawet najwięksi fizyczni dyletanci i raczej nie wzbudza on większych emocji. No może poza częstym nieporozumieniem, wynikającym ze stosowania staroświeckiego rozróżnienia na “masę spoczynkową” i “masę relatywistyczną”. Ta druga jest kojarzona z energią obiektu oraz uzależniona od jego prędkości – i zgodnie z tym terminologicznym potworkiem, można by stwierdzić, że rzeczywiście – pozostający w nieustannym ruchu foton ma “masę”. My oczywiście, upierając się przy zerowej masie kwantu światła, będziemy mieli na myśli miarę jego bezwładności. I tu nie ma żadnej wątpliwości: fotonowi brakuje masy spoczynkowej.

Skoro kwestie techniczne mamy za sobą, racz zwrócić uwagę na to, jak nieprzeciętne zjawisko rozpatrujemy. Niemal każda inna znana nam drobina, posiada jakąś masę. Mniejszą bądź większa, ale zawsze inną niż zero. Wyjątek stanowią, biorący udział w spajaniu jąder atomów gluon (choć samodzielnie i tak niewiele może) oraz, jak sądzą teoretycy, nieodkryty dotąd grawiton. Brak masy to coś więcej niż jakaś tandetna ciekawostka. Kiedy patrzysz nocą na nieboskłon, możesz bez trudu dostrzec oddalone o wiele tysięcy lat świetlnych gwiazdy, miotające we wszystkie strony bezmasowymi fotonami. To właśnie dzięki owej bezmasowości oddziaływanie elektromagnetyczne pracuje bez skrępowania na kosmicznych dystansach. Takiego szczęścia nie mają już np. dorodne bozony W i Z, odpowiadające za mocno ograniczone terytorialnie, słabe oddziaływanie jądrowe.

Wina Higgsa i jego bozonu

Tak na marginesie. Masz prawo zapytać, jak w ogóle do tego doszło, że pewne obiekty, tak po prostu, nie mają masy. To elektromagnetyczne dobrodziejstwo zawdzięczamy działaniu, a właściwie brakowi działania wyrafinowanego mechanizmu, pod postacią pola Higgsa. Mówiąc po “fizycznemu”, pole (jak i bozon) Higgsa spontanicznie łamią symetrię, powodując zróżnicowanie cząstek elementarnych. Niedługo po wielkim wybuchu wszystkie cegiełki były nierozróżnialne, jednak wraz ze zmniejszaniem energii wszechświata, jego fizyka mocno się pogmatwała. Jedne cząstki pozostały mocno sprzężone z wypełniającym całą przestrzeń polem Higgsa, inne mniej, a niektóre – jak interesujący nas foton – kompletnie je zignorowały. Za swą niezależność fotonowi przyszło jednak zapłacić pewną cenę. Nie jest tak, że kwant światła może poruszać się w próżni z nieosiągalną dla innych obiektów prędkością 300 tys. km/s (oznaczaną literką c). On musi przemierzać przestrzeń właśnie z taką prędkością. Jak pewnie już wydedukowałeś, gdyby nie złowieszcze łamanie symetrii i “uciążliwa” masa, wszystkie cząstki odleciałyby w swoje strony z prędkością światła. Ludzie, gwiazdy i planety nigdy by nie powstały. Pole Higgsa stanowi pod tym względem fundament naszej egzystencji.

Szybsi żyją dłużej

Przejdźmy teraz do obiecanej teorii względności. Światło i jego nośnik od początku odgrywały pierwszoplanową rolę w zamyśle Einsteina. Właśnie snując rozmyślania na temat ruchu fali świetlnej, młody Albert wpadł na trop prowadzący go do otwarcia nowego rozdziału fizyki. Nas interesuje perspektywa samego fotonu. Wyobraź sobie, że nie mamy do czynienia z prostą, bezduszną cząstką lecz z istotą, mogącą podzielić się ze światem swoimi wrażeniami. Co ujrzy i zmierzy byt, goniący z prędkością równą c?

Musimy w tym miejscu odświeżyć sobie dwa podstawowe pojęcia związane ze szczególną teorią względności. Pierwszym jest dylatacja czasu. Oznacza ona, iż dwóch przemieszczających się względem siebie obserwatorów, inaczej odczuje upływ czasu. Proton przyśpieszany w tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów “starzeje się” znacznie wolniej, niż podglądający go fizycy. Zjawisko to ma ważny aspekt praktyczny. Wiele cząstek elementarnych normalnie rozpada się po milionowej części sekundy: dzięki dylatacji czasu, z naszej perspektywy, ich żywot ulega wielokrotnemu wydłużeniu.

Drugie kluczowe słowo to kontrakcja, czyli skrócenie odległości. Przywołany proton będzie postrzegał tor akceleratora jako znacznie krótszy niż stojący obok uczeni. Choć projektanci dadzą sobie uciąć obie ręce, że urządzenie ma 27 kilometrów długości, dla obiektu zbliżającego się do prędkości światła będzie stawał się on coraz krótszy i krótszy.

Oba wnioski są dość budujące, o ile mamy zamiar w dalekiej przyszłości marzyć o międzygwiezdnych wojażach. Dzięki fizyce relatywistycznej i odpowiedniemu napędowi, podróż na oddaloną o cztery lata świetlne Alfa Centauri, może potrwać mniej niż cztery lata! Ale to o tym kiedy indziej.

Czy foton się starzeje?

Teraz, gdy wiemy jak bardzo względne okazują się pojęcia czasu i przestrzeni, wróćmy do fotonu. To trochę nieintuicyjne, ale między 99,99999…% c, jakie osiągają masywne cząstki w akceleratorach, a pełną prędkością światła dostępną fotonowi, leży kolosalna różnica. Gdybyśmy założyli protonowi z akceleratora zegarek i obserwowali jego wskazania, dostrzeglibyśmy efekt dylatacji – wskazówki poruszałyby się wolniej niż na zegarze powieszonym na ścianie. Im bliżej c, tym większa różnica w pomiarze. Jednak proton posiada masę, toteż nie ma na świecie siły, która zdołałaby go rozpędzić do prędkości światła.

Jak zatem wyglądałby odczyt z analogicznego zegarka “noszonego” przez foton? Nie jest to chyba specjalnie wymagająca zagwozdka. Przy 100% prędkości światła, czas ulega… zatrzymaniu. Sama logika podpowiada, że skoro zbliżanie się do granicy 300 tys. km/s powoduje spowalnianie zegarów, to sięgnięcie granicy doprowadzi do jego całkowitego wyhamowania. W oczach zewnętrznego obserwatora fotony pozostają obiektami zastygłymi w czasie. Sekundniki na tarczach ich wyimaginowanych zegarków nawet by nie drgnęły.

Kontrakcja wszechświata widziana przez fotony

Jeśli chodzi o kontrakcję, dojdziemy do nie mniej fascynującego wniosku. Skoro przyśpieszanie odpowiednio skraca przestrzeń, to dobicie do pełnej prędkości światła powinno zmniejszyć pokonywany dystans do… zera. Kiedy włączysz latarkę i wycelujesz w przeciwległą ścianę stojącą 5 metrów od ciebie, z punktu widzenia wiązki światła nie pokonuje ona żadnej odległości. Nie bądźmy tacy skromni! Nawet foton wyemitowany przez kwazar oddalony o 10 miliardów lat świetlnych, postrzega ten potworny dystans jako nieistniejący. Z jego punktu widzenia podróż do Ziemi nie trwałaby nawet sekundy. Gdyby bezmasowa cząstka mogła nam opowiedzieć historię swojej podróżny, nie usłyszelibyśmy zapewne niczego szczególnego. W każdym razie mielibyśmy trudności ze zrozumieniem jej relacji. Wiązka światła całą dostępną sobie przestrzeń postrzega jako sprasowaną do zera. Moment startu de facto pokrywa się dlań z chwilą dotarcia do celu.

Doceńmy tu czarującą grację szczególnej teorii względności. Dla fotonu czas nie istnieje, więc przemieszcza się między dowolnymi punktami natychmiast. Jednocześnie przestrzeń pozostaje dla niego nieskończenie skurczona. Oba punkty “leżą” na sobie, więc podróż i tak nie może wymagać czasu. Kontrakcja wraz z dylatacją czasu zlewają się tu w logiczną, relatywistyczną całość.

Pomyśl teraz o pierwotnym fotonie zrodzonym w pierwszym błysku promieniowania gamma, zaraz po wielkim wybuchu. Choć to zdumiewające, z naszej perspektywy nie zestarzał się on ani o sekundę. Z kolei dla niego cała historia wszechświata wydaje się skumulowana w jednym punkcie. Biorąc to wszystko w rachubę należy zadać sobie pytanie: czy w omawianym przypadku, pojęcia przestrzeni i upływu czasu nadal mają w ogóle rację bytu?