Strona głównaPytania → Foton i czas

Foton i czas

Pytanie

Pyta Artur

W jaki sposób doświadcza czasu foton? Ile czasu upływa od jego emisji do absorpcji w jego własnym układzie odniesienia?Jaką drogę pokonuje? Czy foton jest cząsteczką czasoprzestrzenną? A może czasoprzestrzeń ma sens tylko dla cząsteczek elementarnych z masą spoczynkową? Jak wiąże to czasoprzestrzeń z polem Higgsa?

Odpowiedź

Odpowiada Andrzej Okołów

Teoria względności nie daje podstaw do takiego powiązania ze sobą czasu i fotonu, które pozwoliłoby udzielić odpowiedzi na dwa pierwsze pytania.

Z eksperymentalnego punktu widzenia czas (mówiąc ściślej: upływ czasu pomiędzy dwoma zdarzeniami) jest to wielkość fizyczna mierzona przez zegar (lub zegary). Ale ponieważ nie potrafimy skonstruować (ani nawet zaprojektować) zegara o zerowej masie, który tym samym poruszałby się z prędkością światła i względem którego mógłby spoczywać foton, nie mamy szans na doświadczalne określenie upływu czasu pomiędzy emisją a absorpcją fotonu w jego układzie odniesienia. Co więcej: z tej niemożności można nawet wywodzić, że nie istnieje układ odniesienia, w którym foton spoczywa.

Z punktu widzenia formalizmu matematycznego stosowanego w teorii względności można powiedzieć, że czas to dowolna zmienna, która poprawnie parametryzuje linię świata cząstki masywnej. Wśród wszystkich takich zmiennych parametryzujących ustaloną linię świata jest jedna wyróżniona zmienna zwana czasem własnym cząstki — upływ czasu własnego pomiędzy parą zdarzeń leżących na linii świata cząstki jest równy czasoprzestrzennej długości odcinka tej linii wyznaczonego przez te zdarzenia.

Oczywiście, linie świata fotonów też mogą być parametryzowane za pomocą różnych zmiennych. Każdą z tych zmiennych „na upartego” można nazwać „czasem fotonu”, ale ze względu na odmienne matematyczne własności tych zmiennych (nie istnieje możliwość powiązania żadnej z tych zmiennych z czasoprzestrzenną długością odcinka linii świata fotonu) tej nazwy w stosunku do nich się nie używa. Niemniej jednak zmienne parametryzujące linie świata fotonów są tak samo użyteczne jak te, które parametryzują linie świata cząstek masywnych.

Czasoprzestrzeń to zbiór wszystkich zdarzeń o zaniedbywalnej rozciągłości czasowej i przestrzennej, które traktujemy jako chwilowe i punktowe (dokonując tym samym pewnej idealizacji); zjawiska o niezaniedbywalnej czasowej lub przestrzennej rozciągłości traktujemy jako zbiór zjawisk chwilowych i punktowych. A skoro taka jest definicja czasoprzestrzeni to nie ma żadnego powodu, aby wykluczyć z niej zjawiska zachodzące z udziałem fotonów ograniczjąc się do zjawisk zachodzących z udziałem wyłącznie cząstek masywnych (nawiasem mówiąc, prowadziłoby to do całej masy kłopotów jak np. złamanie zasad zachowania energii i pędu w przypadku zjawisk, w których zachodzi wymiana energii i pędu pomiędzy fotonami a cząstkami masywnymi). Zatem foton jest cząstką czasoprzestrzenną tak samo jak elektron czy proton, czasoprzestrzeń „ma sens” dla wszystkich cząstek niezależnie od ich masy i dlatego wydaje się, że akurat w tym miejscu nie da się znaleźć związków pomiędzy czasoprzestrzenią a polem Higgsa.