Czytaj dalej

Foton to zdecydowanie najpospolitsza cząstka występująca we wszechświecie. Nie przeszkadza jej to pozostawać jednocześnie cząstką niezwykłą, postrzegającą 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. 

Masa spoczynkowa fotonu, bozonu Z i higsonu

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

light speed2

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?

Wizualizacja dylatacji czasu

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 300 tys. km/s powoduje spo­wal­nia­nie zegarów, to się­gnię­cie granicy dopro­wa­dzi do jego cał­ko­wi­tego wyha­mo­wa­nia. W oczach zewnętrz­nego obser­wa­tora foton pozo­staje obiektem zasty­głym w czasie. Sekund­nik jego wyima­gi­no­wa­nego zegarka nawet by nie drgnął. 

Kontrakcja, czyli skrócenie wszechświata widzianego przez foton

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?

Literatura uzupełniająca:
J. Al-Khalili, Paradoks. Dziewięć największych zagadek fizyki, przeł. J. Szajkowska, Warszawa 2014;
I. Nowikow, Rzeka czasu, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa 1998;
A. Nowik, Masa relatywistyczna – niepotrzebny i szkodliwy relikt, „Foton” nr 124, 2014;
F. Cain, Does light experience time?, [online: www.universetoday.com/111603/does-light-experience-time].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.