Ποιος είναι ο χρόνος ζωής του φωτονίου; What is the lifetime of a photon?

New work suggests that photons live for one billion billion (1018) years. (Courtesy: iStockphoto/jdillontoole)

Tο φωτόνιο – το κβάντο του φωτός ή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας – είναι γνωστό πως έχει μάζα ηρεμίας μηδέν.

Όμως υπάρχουν κάποιες θεωρίες που επιτρέπουν στα φωτόνια να έχουν μια μικρή μάζα ηρεμίας. Συνέπεια αυτής της θεώρησης είναι ότι τα φωτόνια θα μπορούσαν να διασπώνται σε ελαφρότερα στοιχειώδη σωματίδια.

Οπότε τίθεται το ερώτημα, αν μια τέτοια διάσπαση ήταν εφικτή, ποιος θα ήταν ο χρόνος ζωής του φωτονίου;

Superconducting mirrors made of copper covered by a thin layer of niobium. These mirrors are able to store microwave photons up to one-tenth of a second (Image: Michel Brune)

Στο ερώτημα αυτό απαντούν φυσικοί από την Γερμανία, εκτιμώντας πως το κατώτερο όριο στον χρόνο ζωής του φωτονίου είναι τρία χρόνια στο σύστημα αναφοράς του φωτονίου, που μεταφράζεται σε περίπου 10¹⁸ χρόνια στο δικό μας σύστημα αναφοράς.

Είναι δύσκολο να δεχθεί κανείς την ιδέα ότι τα φωτόνια έχουν πεπερασμένη διάρκεια ζωής, δεδομένου ότι οι αστρονόμοι, παρατηρώντας μακρινά κοσμικά αντικείμενα, ανιχνεύουν φωτόνια που έχουν ηλικία δισεκατομμυρίων ετών.

Αλλά μερικές θεωρίες υποδεικνύουν ότι τα φωτόνια θα μπορούσαν να έχουν μια μικρή μεν, αλλά μη μηδενική μάζα ηρεμίας – το ανώτατο όριο που θέτουν στη μάζα του φωτονίου πειράματα με ηλεκτρομαγνητικά πεδία είναι 10^-18 eV ή 10^-54 kg.

Και με αυτή την μικρή μάζα, ένα φωτόνιο θα μπορούσε να διασπαστεί σε άλλα ελαφρύτερα στοιχειώδη σωματίδια, όπως ένα ζεύγος νετρίνου – αντινετρίνου (τα πιο ελαφρά γνωστά στοιχειώδη σωματίδια) ή σε άλλα – προς το παρόν άγνωστα σωματίδια – πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής.

Έρχεται λοιπόν τώρα, ο Julian Heeck από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max Planck στη Χαϊδελβέργη, και μετατρέπει κοσμολογικές παρατηρήσεις σε επιχειρήματα υπέρ της διάσπασης φωτονίων.

Χαρτογράφηση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου από το δορυφόρο WMAP.

Συγκεκριμένα, εξέτασε την Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου, τα απομεινάρια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας της Μεγάλης Έκρηξης, από την εποχή που το σύμπαν ήταν πολύ νέο – περίπου 380.000 ετών.

Πριν από αυτή την εποχή, η ύλη και η ακτινοβολία ήταν άρρηκτα συνδεδεμένες μεταξύ τους. Αλλά καθώς το σύμπαν διένυε την περίοδο της πληθωριστικής διαστολής – μια περίοδος εκθετικά γρήγορης διαστολής – το καυτό πλάσμα ηλεκτρονίων και ελαφρών πυρήνων ψύχθηκε τόσο ώστε να μπορούν να σχηματιστούν ουδέτερα άτομα.

Αυτή η «αποσύνδεση» της ύλης και της ακτινοβολίας επέτρεψε στα φωτόνια να ταξιδεύουν ελεύθερα στο σύμπαν. Με τη πάροδο του χρόνου, τα μήκη κύματός τους μεγάλωναν εξαιτίας της διαστολής του σύμπαντος, για να φτάσουν σήμερα στην περιοχή των μικροκυμάτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος – που εντοπίζονται προς οποιαδήποτε κατεύθυνση ως μια αμυδρή θερμική ακτινοβολία μέλανος σώματος.

Περισσότερα από 100 πειράματα έχουν μελετήσει την Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου (ΚΑΜ), αφότου αυτή ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά, μεταξύ αυτών το COBE (Cosmic Background Explorer) της NASA, το WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) και η αποστολή Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, με τα οποία έχουν γίνει όλο και πιο ακριβείς μετρήσεις αυτής της ακτινοβολίας.

Στην πραγματικότητα, το φάσμα της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου (ΚΑΜ) είναι το πιο ακριβές φάσμα μέλανος σώματος που έχει μετρηθεί μέχρι σήμερα στη φύση.

Είναι αυτό το φάσμα που ο Heek χρησιμοποίησε ως οδηγό στους υπολογισμούς του – συγκεκριμένα χρησιμοποίησε τα εξαιρετικά ακριβή δεδομένα της αποστολής COBE και τα συνέκρινε με το φάσμα που υπολόγισε, παίρνοντας υπόψιν την διάσπαση των φωτονίων.

Εάν το φωτόνιο έχει μάζα και διασπάται σε ελαφρύτερα σωματίδια, τότε η πυκνότητα των φωτονίων της ΚΑΜ θα πρέπει να μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Αλλά αυτό με τη σειρά του θα σημαίνει πως το φάσμα της ΚΑΜ δεν θα ταυτίζεται τελείως με το φάσμα ενός ιδανικού μέλανος σώματος.

Αν η ΚΑΜ εκφράζει ένα σχεδόν τέλειο μαύρο σώμα, έστω και πολύ λίγα φωτόνια θα έχουν διασπαστεί κατά τη διάρκεια των 13,8 δισεκατομμυρίων ετών ύπαρξης του σύμπαντος και έτσι από τις μετρήσεις της ΚΑΜ θα μπορούσε να προσδιοριστεί η διάρκεια της ζωής του φωτονίου.

Photon absorption for 800 MeV photon energy.

Χρησιμοποιώντας τις εκτιμήσεις της μάζας και τους περιορισμούς της ΚΑΜ, ο Heek υπολόγισε ότι ο χρόνος ζωής του φωτονίου, στο σύστημα αναφοράς του φωτονίου, είναι τρία έτη. Αλλά, καθώς αυτά τα φωτόνια, με τις μικροσκοπικές τους μάζες κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, παίρνοντας υπόψιν την διαστολή του χρόνου, στο δικό μας σύστημα αναφοράς αυτός ο χρόνος ισοδυναμεί με 10¹⁸ ή ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια χρόνια. 

Τα στοιχήματα του κ. Χόκινγκ. Hawking concedes bet on black hole information loss

Ο Stephen Hawking παίζει πόκερ με τον Νewton, τον Einstein και τον Data, σε μια σκηνή από ταινία επιστημονικής φαντασίας Star Trek.

Τα στοιχήματα με επίκεντρο επιστημονικά ζητήματα έχουν εμφανιστεί εδώ και αιώνες, και σε ορισμένες περιπτώσεις έχουν βοηθήσει στη πρόοδο της επιστήμης.

Το πρώτο διάσημο καταγεγραμμένο στοίχημα, έλαβε χώρα το 1684 όταν ο πασίγνωστος εκείνη την εποχή αρχιτέκτονας Christopher Wren, δήλωσε πως θα έδινε 40 σελίνια σε όποιον κατάφερνε να αποδείξει τους νόμους του Κέπλερ, χρησιμοποιώντας το νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου.

Λίγο καιρό μετά, ο Ισαάκ Νεύτων θα εξέδιδε το περίφημο έργο του «Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας», που θα περιείχε και την εν λόγω απόδειξη, αλλά δεν εισέπραξε ποτέ την αμοιβή, καθώς είχε λήξει η διορία.

Από τότε έχουν μπει διάσημα στοιχήματα που αφορούν στο αν η Γη είναι τελικά επίπεδη, ή αν μπορεί κάποιος να κατασκευάσει μια μηχανή με μέγεθος 1/64 της ίντσας. Ωστόσο, υπάρχουν τρία διάσημα στοιχήματα που έχει λάβει μέρος ο διάσημος φυσικός Stephen Hawking. Και αν η ιστορία έχει δείξει πως είναι λαμπρός επιστήμονας, φαίνεται πως δεν τα πηγαίνει εξίσου καλά με το τζόγο.

Kip Thorne. The Man Who Imagined Wormholes and Schooled Hawking.

Το πρώτο στοίχημα που έβαλε ο Άγγλος φυσικός, ήταν το 1975 με το φυσικό του πανεπιστημίου Caltech, Kip Thorne, και αφορούσε στο ενδεχόμενο το νεοπαρατηρηθέν τότε αντικείμενο Κύκνος-Χ1 να είναι μαύρη τρύπα. Ο Hawking, ο οποίος πόνταρε ενάντια στην ίδια του την έρευνα, έχασε το στοίχημα, καθώς ο Κύκνος-Χ1 έγινε το πρώτο αντικείμενο στο Σύμπαν που διαπιστώθηκε πως είναι μαύρη τρύπα.

Ο Hawking, ο οποίος πλήρωσε μία ετήσια συνδρομή στο περιοδικό Penthouse για τον Thorne, δικαιολογήθηκε έπειτα πως στοιχημάτισε εναντίον του ενδεχόμενου της μαύρης τρύπας, ώστε να έχει σε κάθε περίπτωση κάτι να κερδίσει. Μπορεί να έχασε το στοίχημα, όμως δικαιώθηκε η έρευνά του, πως η μαύρες τρύπες ακτινοβολούν.

Ένα ακόμη διάσημο στοίχημα διατυπώθηκε το 1991 ανάμεσα στον Τhorne, τον συνάδελφό του στο Caltech John Preskill, και το Hawking, για το κατά πόσο μοναδικότητες μπορούσαν να βρίσκονται έξω από μαύρες τρύπες. Μοναδικότητες ονομάζονται σημεία του χωροχρόνου όπου οι τιμές κάποιου πεδίου απειρίζονται.

O John Preskill (δεξιά) “πανηγυρίζει” την νίκη του μπροστά στον Stephen Hawking. John Preskill (right) declares victory at Stephen Hawking's expense.

Έξι χρόνια μετά, ο Hawking παραδεχόταν πως έχανε το στοίχημα αφού αποφάσισε πως ήταν δυνατό να συμβεί αυτό. Και τότε ήταν που συμμάχησε με τον Thorne, εναντίον του Preskill, σε ένα άλλο στοίχημα: για το αν μπορεί να χαθεί πληροφορία εντός μια μαύρης τρύπας. Όπως είχε πει χαρακτηριστικά ο Hawking «Όχι μόνο ο Θεός παίζει ζάρια, αλλά πολλές φορές τα ρίχνει εκεί όπου δε μπορούμε να τα δούμε», πιστεύοντας την εποχή εκείνη, πως όντως μπορεί να χαθεί πληροφορία εντός μιας μαύρης τρύπας.

Χρειάστηκαν 7 χρόνια, και η δουλειά σπουδαίων φυσικών όπως ο Gerard t’ Hooft και ο Juan Maldacena, ώστε να παραδεχτεί ο Hawking πως έχασε και αυτό το στοίχημα. Για την ιστορία, ο Thorne ακόμη εμμένει στην αρχική του άποψη.

Το τελευταίο, και ίσως πιο διάσημο στοίχημα που έχασε ο Hawking, αφορά στην ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, ένα ενδεχόμενο κόντρα στο οποίο είχε ποντάρει 100 δολάρια, με αντίπαλο το φυσικό του πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, Gordon Kane. Στις 4 Ιουλίου του 2012, παραδέχτηκε πως είχε λάθος και σε αυτή την περίπτωση, όμως όπως δήλωσε «είναι κρίμα κατά κάποιο τρόπο, γιατί οι μεγάλες πρόοδοι στη φυσική έρχονται από πειράματα που δεν αναμένουμε τα αποτελέσματά τους».

Science to the masses: Some of Prof Hawking's books including his international bestseller A Brief History Of Time.

Όσο για τον ίδιο τον Άγγλο φυσικό, πρόκειται για μία από τις πιο αναγνωρίσιμες φιγούρες στον κόσμο. Συγγραφέας διάσημων βιβλίων, όπως το «Χρονικό του Χρόνου», καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ, και με πασίγνωστο ερευνητικό έργο στη θεωρητική φυσική του ανήκει μια θέση στο πάνθεον των επιστημόνων. Καθηλωμένος εδώ και δεκαετίες σε αναπηρικό καροτσάκι, αποτελεί υπόδειγμα θέλησης και δύναμης.

Οι γιατροί, το 1963 του είχαν διαγνώσει μία πάθηση στο νευρικό σύστημα δίνοντάς του δύο χρόνια ζωής. Από τότε, ο Χόκινγκ τους διαψεύδει καθημερινά. Είναι πλέον και αναγνωρίσιμος τηλεοπτικός χαρακτήρας με συμμετοχές σε σειρές όπως το Σταρ Τρεκ (με τη διάσημη σκηνή όπου παίζουν χαρτιά οι Νεύτων, Αϊνστάιν, Hawking, και ο Data).

Στο Αρχαιολογικό Μουσείο Νάξου, At the Archaeological Museum of Naxos

Στο αρχαιολογικό Μουσείο της Νάξου εκτίθενται έργα τέχνης και αντικείμενα καθημερινής χρήσης που ήρθαν στο φώς από τις ανασκαφές που διεξάγονται στο νησί συνεχώς μετά το Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, και χρονολογούνται από τα νεότερα νεολιθικά έως τα παλαιοχριστιανικά χρόνια (5300 π.Χ. - 5ος αι. μ.Χ.).

The Archeological Museum of Naxos houses works of art and objects of every day use dating from the Late Neolithic period to Early Christian times (5300 BC - 5th c. AD). These finds came to light in the excavations which have been continuing on the island since the Second World War.

H Nάξος είναι το μεγαλύτερο και σημαντικότερο νησί των Κυκλάδων, τόπος πλούσιος με κατάλληλους περιβαλλοντικούς παράγοντες για την ανάπτυξη της γεωργίας και της κτηνοτροφίας. Είναι εξάλλου ένα "ευλίμενο" νησί, γεγονός που βοήθησε ιδιαίτερα στην έντονη και συνεχή πολιτιστική παρουσία του στον ελληνικό χώρο από το τέλος της 4ης χιλιετίας π.Χ. έως σήμερα.

Naxos is the largest and most important of the Cyclades, a rich island with a natural environment suitable for the development of farming and stock-raising. It is also an island with good natural harbors, a circumstance which has contributed much to its strong continuous cultural presence in Greece from the end of the 4th millennium BC to the present day.

Η πρώτη μεγάλη ακμή της Νάξου σημειώνεται κατά την πρωτοκυκλαδική εποχή (περ. 2700 - 2300 π.Χ.) κατά την οποία η Νάξος με τα γύρω μικρά νησιά εξελίσσεται σε ένα από τα σημαντικότερα εμπορικά και πολιτισμικά κέντρα της εποχής. Κατά τις επόμενες περιόδους της Χαλκοκρατίας συμβαίνουν διάφορες μεταβολές και αναστατώσεις στον αιγαιακό χώρο που έχουν αποτέλεσμα να αναδειχθούν νέα κέντρα σε άλλα νησιά (Θήρα, Μήλος, Πάρος) και η Νάξος να χάσει την κυριαρχική της θέση στο Αιγαίο.

Naxos first flourished during Early Cycladic II period (about 2700 - 2300 BC), during which, along with the small nearby islets, it evolved into one of the most important commercial and cultural centres of the period. During the later phases of the Bronze Age, there were a variety of changes and upheavals in the Aegean which resulted in new centres rising to prominence on other islands (Thera, Milos, Paros) and Naxos lost its leading position in the Aegean.

Oι ανασκαφές στα τελευταία 40 χρόνια έχουν φέρει στο φώς πλήθος αρχαιολογικών χώρων (Γρόττα, Απλώματα, Πλίθος στη Χώρα, Μέλανες, Σαγκρί, Ύρια, Τσικαλαριό στην κεντρική Νάξο, Πάνορμος, Κορφή τ' Αρωνιού στην ανατολική Νάξο) αλλά και πολυάριθμων ευρημάτων που στεγάζονται στο Μουσείο της Νάξου.

Excavations over the last forty years have brought a large number of archaeological sites (Grotta, Aplomata, Pithos in Chora, Melanes, Sangri, Iria, Tsikalario in central Naxos, Panormos, Korphi t'Aroniou in east Naxos), and also the many finds that are now housed in the Naxos Museum.

Το μουσείο της Νάξου είναι φημισμένο για τις δύο ιδιαίτερα σημαντικές συλλογές του, την Κυκλαδική και τη Μυκηναϊκή. Η πρώτη, περιέχει ευρήματα της Πρωτοκυκλαδικής εποχής, η οποία εκτείνεται από τα τέλη της 4ης χιλιετίας π.Χ. ως τα τέλη της 3ης χιλιετίας π.Χ.

 

The collections of Early Cycladic marble figurines is second to only to that of the National Archaeological Museum in Athens. 

There are also some very fine collections of vases dating from the Mycenaean (late 2nd millennium BC) and Geometric periods (9th - 8th c. BC).

Στο Αιγαίο, η περίοδος αυτή συνδέεται με την εισαγωγή των μετάλλων, δηλαδή του χαλκού και του μαρμάρου, καθώς και με τη μετάδοση τεχνικών γνώσεων, με αποτέλεσμα οι Κυκλάδες – εξαιτίας και της γεωγραφικής τους θέσης – να αναδειχθούν σε σημαντικό κέντρο πολιτιστικής ανάπτυξης.

Στα ευρήματα αυτής της περιόδου περιλαμβάνονται μαρμάρινα βιολόσχημα (ανθρώπινες μορφές με περίγραμμα σε σχήμα βιολιού) πρωτοκυκλαδικά ειδώλια, κεραμικά σκεύη καθημερινής και λατρευτικής χρήσης, καθώς και αξιοσημείωτα κτερίσματα που έχουν ανακαλυφθεί σε τάφους, φτιαγμένα από ασήμι και χαλκό.

Η δεύτερη περίοδος ακμής της Νάξου είναι η Υστερομυκηναϊκή (1400 – 1100 π.Χ.). Οι οικισμοί στην ύπαιθρο του νησιού περιορίζονται, ενώ η πόλη αναπτύσσεται πάνω από τον παλαιό οικισμό της Γκρότας, με μικρότερους οικισμούς στα δυτικά και στα ανατολικά του νησιού. 

Η μυκηναϊκή περίοδος αντιπροσωπεύεται κυρίως από αξιόλογα δείγματα κεραμικής, με πλούσια ζωγραφική διακόσμηση, εμπνευσμένη από τη φύση, ξίφη από χαλκό, αντικείμενα από ελεφαντόδοντο και χρυσό, χάντρες από ημιπολύτιμους λίθους, καθώς και δαχτυλίδια που προέρχονται κατά κύριο λόγο από ανασκαφές (κυρίως οικογενειακών) τάφων της περιόδου.

Επιπλέον, στο Μουσείο της Νάξου εκθέτονται ευρήματα από τη γεωμετρική περίοδο. Αυτά περιλαμβάνουν μεγάλους αμφορείς και αγγεία, με σφαιρικό σώμα για διάφορες χρήσεις και με πλήθος διακοσμήσεων (από απλά γεωμετρικά σχήματα, μέχρι μαιάνδρους και μορφές ανθρώπων και ζώων). Πολλά, εξάλλου, είναι τα παραδείγματα γεωμετρικής αρχιτεκτονικής σε τάφους του νησιού, όπου βρέθηκαν χρυσά και πήλινα αντικείμενα.

Οι αρχαϊκοί (7ος - 6ος αι. π.Χ.), οι κλασικοί (5ος - 4ος αι. π.Χ.) και οι ελληνιστικοί (3ος - 1ος αι. π.Χ.) χρόνοι αντιπροσωπεύονται από χαρακτηριστικά δείγματα κεραμικής και πήλινων ειδωλίων. 

The Archaic (7th - 6th c. BC), Classical (5th - 4th c. BC) and Hellenistic (3rd - 1st c. BC) periods are represented by characteristic examples of pottery and terracotta figurines. 

Από τη ρωμαϊκή εποχή (1ος π.Χ. - 2ος αι. μ.Χ.) εκτός από τα κεραμικά υπάρχει και μια μεγάλη, ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα συλλογή γυάλινων αγγείων.

The Roman period (1st c. BC to 2nd c. AD) has yielded not only pottery but also a large, highly interesting collection of glass vases.

Ορισμένα ευρήματα προέρχονται από νεκροταφείο κοντά στο χωριό Τσικαλαριό. Στο συγκεκριμένο νεκροταφείο οι ταφικοί περίβολοι σηματοδοτούνταν με μια μακρόστενη πλάκα που ήταν τοποθετημένη σε όρθια θέση: πρόκεται για ένα είδος μενίρ, το οποίο αποτελεί μοναδικό φαινόμενο για τον ελλαδικό χώρο.

Ανάμεσα στα ευρήματα περιλαμβάνονται αγάλματα (τέσσερις κορμοί Κούρων και ένα πολύ όμορφο άγαλμα γυναικείας θεάς από τις Εγγαρές από τα τέλη του 5ου αι. π.Χ.), επιτύμβιες στήλες, ένα επιτύμβιο λιοντάρι, καθώς και η βάση ενός τιμητικού ανδριάντα. Πιστεύεται πως πάνω στη βάση αυτή, υπήρχε χάλκινο άγαλμα που αναπαραστούσε κάποιον επιφανή πολίτη της Ρόδου.

Τέλος, στην ταράτσα του μουσείου, αξίζει να θαυμάσετε το μοναδικό ψηφιδωτό δάπεδο που βρέθηκε σε κατοικία του 3ου αι. π.Χ. και που απεικονίζει ημίγυμνη γυναικεία μορφή που ιππεύει θαλάσσιο τέρας.