• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: A luz realmente vive para sempre?

Em todo o Universo, apenas algumas partículas são eternamente estáveis. O fóton, o quantum de luz, tem um tempo de vida infinito. Ou não?

Principais conclusões

• No Universo em expansão, por bilhões e bilhões de anos, o fóton parece ser uma das poucas partículas que tem um tempo de vida aparentemente infinito.
• Os fótons são os quanta que compõem a luz e, na ausência de quaisquer outras interações que os forcem a mudar suas propriedades, são eternamente estáveis, sem nenhum indício de que se transmutariam em qualquer outra partícula.
• Mas até que ponto sabemos que isso é verdade e que evidências podemos apontar para determinar sua estabilidade? É uma questão fascinante que nos leva aos limites do que podemos observar e medir cientificamente.

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Uma das ideias mais duradouras em todo o Universo é que tudo o que existe agora um dia verá sua existência chegar ao fim. As estrelas, galáxias e até mesmo os buracos negros que ocupam o espaço em nosso Universo vão um dia queimar, desaparecer e decair, deixando o que pensamos como um estado de “morte por calor”: onde não há mais energia ser extraído, de qualquer forma, de um estado de equilíbrio uniforme, de entropia máxima. Mas, talvez, haja exceções a essa regra geral, e que algumas coisas realmente viverão para sempre.

Um desses candidatos a uma entidade verdadeiramente estável é o fóton: o quantum de luz. Toda a radiação eletromagnética que existe no Universo é composta de fótons, e fótons, até onde sabemos, têm um tempo de vida infinito. Isso significa que a luz realmente viverá para sempre? É isso que Anna-Maria Galante quer saber, escrevendo para perguntar:

“Os fótons vivem para sempre? Ou eles “morrem” e se convertem em alguma outra partícula? A luz que vemos em erupção de eventos cósmicos ao longo de um passado muuuuito longo... parece que sabemos de onde ela vem, mas para onde ela vai? Qual é o ciclo de vida de um fóton?”

É uma pergunta grande e convincente, e que nos leva ao limite de tudo o que sabemos sobre o Universo. Aqui está a melhor resposta que a ciência tem hoje.

Somente quebrando a luz de um objeto distante em seus comprimentos de onda componentes e identificando a assinatura de transições de elétrons atômicos ou iônicos que podem ser ligados a um desvio para o vermelho e, portanto, ao Universo em expansão, pode um desvio para o vermelho confiável (e, portanto, distância) ser chegado. Isso foi parte das principais evidências descobertas que apoiam o Universo em expansão.

A primeira vez que surgiu a questão de um fóton ter um tempo de vida finito, foi por uma razão muito boa: tínhamos acabado de descobrir a evidência chave para o Universo em expansão. As nebulosas espirais e elípticas no céu mostraram ser galáxias, ou “universos insulares”, como eram então conhecidas, muito além da escala e do escopo da Via Láctea. Essas coleções de milhões, bilhões ou mesmo trilhões de estrelas estavam localizadas a pelo menos milhões de anos-luz de distância, colocando-as bem fora da Via Láctea. Além disso, foi rapidamente demonstrado que esses objetos distantes não estavam apenas distantes, mas pareciam estar se afastando de nós, pois quanto mais distantes estavam, em média, maior a luz deles acabou sendo sistematicamente deslocada para mais vermelho. e comprimentos de onda mais vermelhos.

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É claro que, quando esses dados estavam amplamente disponíveis nas décadas de 1920 e 1930, já havíamos aprendido sobre a natureza quântica da luz, o que nos ensinou que o comprimento de onda da luz determinava sua energia. Também tínhamos a relatividade especial e geral bem em mãos, o que nos ensinou que, uma vez que a luz deixa sua fonte, a única maneira de alterar sua frequência era:

1. tê-lo interagir com alguma forma de matéria e/ou energia,
2. fazer com que o observador se aproxime ou se afaste do observador,
3. ou ter as propriedades de curvatura do próprio espaço mudando, como devido a um desvio gravitacional para o vermelho/azul ou uma expansão/contração do Universo.

A primeira explicação potencial, em particular, levou à formulação de uma fascinante cosmologia alternativa: cosmologia luz cansada .

Quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela se expande para longe de nós e mais sua luz parece desviada para o vermelho. Uma galáxia se movendo com o Universo em expansão estará a um número ainda maior de anos-luz de distância, hoje, do que o número de anos (multiplicado pela velocidade da luz) que a luz emitida por ela levou para chegar até nós. Mas só podemos entender os desvios para o vermelho e os desvios para o azul se os atribuirmos a uma combinação de contribuições do movimento (relativística especial) e do tecido em expansão do espaço (relativística geral). Se a luz simplesmente ficasse “cansada”, haveria uma série diferente de consequências observáveis.

Formulado pela primeira vez em 1929 por Fritz Zwicky – sim, o mesmo Fritz Zwicky que cunhou o termo supernova, que formulou pela primeira vez a hipótese da matéria escura e que uma vez tentou “acalmar” o ar atmosférico turbulento disparando um rifle através de seu tubo de telescópio – o A hipótese da luz cansada propõe a noção de que a luz em propagação perde energia através de colisões com outras partículas presentes no espaço entre as galáxias. Quanto mais espaço houvesse para se propagar, segundo a lógica, mais energia seria perdida para essas interações, e essa seria a explicação, em vez de velocidades peculiares ou expansão cósmica, por que a luz parecia ser mais severamente desviada para o vermelho para distâncias mais distantes. objetos.

No entanto, para que esse cenário esteja correto, há duas previsões que devem ser verdadeiras.

1.) Quando a luz viaja através de um meio, mesmo um meio esparso, ela diminui da velocidade da luz no vácuo para a velocidade da luz nesse meio. A desaceleração afeta a luz de diferentes frequências em diferentes quantidades. Assim como a luz que passa por um prisma se divide em cores diferentes, a luz que passa por um meio intergaláctico que interage com ele deve diminuir a luz de diferentes comprimentos de onda em diferentes quantidades. Quando essa luz entrar novamente no vácuo verdadeiro, ela retomará o movimento à velocidade da luz no vácuo.

Animação esquemática de um feixe contínuo de luz sendo disperso por um prisma. Se você tivesse olhos ultravioleta e infravermelho, seria capaz de ver que a luz ultravioleta se curva ainda mais do que a luz violeta/azul, enquanto a luz infravermelha permaneceria menos curvada do que a luz vermelha. A velocidade da luz é constante no vácuo, mas diferentes comprimentos de onda da luz viajam em diferentes velocidades através de um meio.

E, no entanto, quando observamos a luz proveniente de fontes a diferentes distâncias, não encontramos nenhuma dependência do comprimento de onda para a quantidade de desvio para o vermelho que a luz exibia. Em vez disso, em todas as distâncias, observa-se que todos os comprimentos de onda da luz emitida desviam para o vermelho exatamente pelo mesmo fator que todos os outros; não há dependência de comprimento de onda para o redshift. Por causa dessa observação nula, a primeira previsão da cosmologia da luz cansada é falsificada.

Mas há uma segunda previsão para enfrentar também.

2.) Se a luz mais distante perde mais energia ao passar por um comprimento maior de um “meio com perdas” do que a luz menos distante, então esses objetos mais distantes devem parecer borrados por uma quantidade progressivamente maior e maior do que os menos distantes.

E, novamente, quando testamos essa previsão, descobrimos que ela não é confirmada por observações. Galáxias mais distantes, quando vistas ao lado de galáxias menos distantes, parecem tão nítidas e de alta resolução quanto as menos distantes. Isso é verdade, por exemplo, para todas as cinco galáxias do Quinteto de Stephan, bem como para as galáxias de fundo visíveis atrás de todos os cinco membros do quinteto. Essa previsão também é falsificada.

As principais galáxias do Quinteto de Stephan, conforme revelado pelo JWST em 12 de julho de 2022. A galáxia à esquerda está apenas cerca de 15% tão distante quanto as outras galáxias, e as galáxias de fundo estão muitas dezenas de vezes mais distantes. E, no entanto, todos são igualmente nítidos, demonstrando que a hipótese da luz cansada não tem mérito.

Embora essas observações sejam boas o suficiente para falsificar a hipótese da luz cansada – e, de fato, foram boas o suficiente para falsificá-la imediatamente, assim que foi proposta – essa é apenas uma maneira possível de a luz ser instável. A luz pode morrer ou se converter em alguma outra partícula, e há um conjunto de maneiras interessantes de pensar sobre essas possibilidades.

A primeira surge simplesmente do fato de termos um redshift cosmológico. Todo e qualquer fóton que é produzido, independentemente de como é produzido, seja termicamente ou de uma transição quântica ou de qualquer outra interação, fluirá pelo Universo até colidir e interagir com outro quantum de energia. Mas se você fosse um fóton emitido por uma transição quântica, a menos que você possa se envolver na reação quântica inversa de maneira bastante rápida, você começará a viajar pelo espaço intergaláctico, com seu comprimento de onda se estendendo devido à expansão do Universo. Se você não tiver a sorte de ser absorvido por um estado de limite quântico com a frequência de transição permitida correta, você simplesmente fará o redshift e redshift até estar abaixo do comprimento de onda mais longo possível que permitirá que você seja absorvido por tal transição nunca mais.

Esta síntese de três conjuntos diferentes de linhas espectrais de uma lâmpada de vapor de mercúrio mostra o impacto que um campo magnético pode ter. Em (A), não há campo magnético. Em (B) e (C), há um campo magnético, mas eles estão orientados de forma diferente, explicando a divisão diferencial das linhas espectrais. Muitos átomos exibem essa estrutura fina ou mesmo hiperfina sem a aplicação de um campo externo, e essas transições são essenciais quando se trata de construir um relógio atômico funcional. Há um limite para quão pequena a diferença de energia entre os níveis pode ser em um sistema quântico, e uma vez que um fóton cai abaixo desse limite de energia, ele não pode ser absorvido novamente.

No entanto, existe um segundo conjunto de possibilidades para todos os fótons: eles podem interagir com uma partícula quântica livre, produzindo um de qualquer número de efeitos.

Isso pode incluir espalhamento, onde uma partícula carregada – geralmente um elétron – absorve e depois reemite um fóton. Isso envolve uma troca de energia e momento, e pode impulsionar a partícula carregada ou o fóton para energias mais altas, à custa de deixar a outra com menos energia.

Em energias altas o suficiente, a colisão de um fóton com outra partícula – até mesmo outro fóton, se a energia for alta o suficiente – pode produzir espontaneamente um par partícula-antipartícula se houver energia disponível suficiente para fazê-los através do método de Einstein. E = mc² . De fato, os raios cósmicos de energia mais alta de todos podem fazer isso mesmo com os fótons notavelmente de baixa energia que fazem parte do fundo cósmico de micro-ondas: o brilho remanescente do Big Bang. Para raios cósmicos acima de ~10 ¹⁷ eV em energia, um único fóton CMB típico tem a chance de produzir pares elétron-pósitron. Em energias ainda mais altas, mais como ~ 10 ^vinte eV em energia, um fóton CMB tem uma chance significativamente grande de se converter em um píon neutro, que rouba a energia dos raios cósmicos rapidamente. Esta é a principal razão pela qual há uma queda acentuada na população dos raios cósmicos de maior energia : eles estão acima desse limite crítico de energia.

O espectro de energia dos raios cósmicos de maior energia, pelas colaborações que os detectaram. Os resultados são incrivelmente altamente consistentes de experimento para experimento e revelam uma queda significativa no limiar GZK de ~ 5 x 10^19 eV. Ainda assim, muitos desses raios cósmicos excedem esse limite de energia, indicando que essa imagem não está completa ou que muitas das partículas de maior energia são núcleos mais pesados, em vez de prótons individuais.

Em outras palavras, mesmo fótons de energia muito baixa podem ser convertidos em outras partículas – não fótons – colidindo com outra partícula de energia alta o suficiente.

Há ainda uma terceira maneira de alterar um fóton além da expansão cósmica ou através da conversão em partículas com uma massa de repouso diferente de zero: espalhando uma partícula que resulta na produção de fótons adicionais. Em praticamente todas as interações eletromagnéticas, ou interações entre uma partícula carregada e pelo menos um fóton, existem as chamadas “correções radiativas” que surgem nas teorias quânticas de campo. Para cada interação padrão em que o mesmo número de fótons existe no início e no final, há um pouco menos de 1% de chance - mais como 1/137, para ser específico - de que você acabe irradiando um fóton adicional em o final sobre o número com o qual você começou.

E toda vez que você tem uma partícula energética que possui uma massa de repouso positiva e uma temperatura positiva, essas partículas também irradiarão fótons: perdendo energia na forma de fótons.

Os fótons são muito, muito fáceis de criar e, embora seja possível absorvê-los induzindo as transições quânticas adequadas, a maioria das excitações será desexcitada após um determinado período de tempo. Assim como o velho ditado que diz que “o que sobe deve descer”, sistemas quânticos que são excitados para energias mais altas através da absorção de fótons acabarão por desexcitar também, produzindo pelo menos o mesmo número de fótons, geralmente com a mesma rede. energia, como foram absorvidos em primeiro lugar.

Quando um átomo de hidrogênio se forma, ele tem a mesma probabilidade de ter os spins do elétron e do próton alinhados e anti-alinhados. Se eles estiverem anti-alinhados, não ocorrerão mais transições, mas se estiverem alinhados, eles podem fazer um túnel quântico para esse estado de energia mais baixa, emitindo um fóton de um comprimento de onda muito específico em escalas de tempo muito específicas e bastante longas. Uma vez que este fóton se desloque para o vermelho em uma quantidade significativa o suficiente, ele não pode mais ser absorvido e sofrer o inverso da reação mostrada aqui.

Dado que existem tantas maneiras de criar fótons, você provavelmente está salivando por maneiras de destruí-los. Afinal, simplesmente esperar pelos efeitos do redshift cósmico para reduzi-los a um valor de energia e densidade assintoticamente baixos levará um tempo arbitrariamente longo. Cada vez que o Universo se estica para se tornar maior por um fator de 2, a densidade total de energia na forma de fótons cai por um fator de 16: um fator de 2 ⁴ . Um fator de 8 vem porque o número de fótons – apesar de todas as maneiras que existem para criá-los – permanece relativamente fixo, e dobrar a distância entre os objetos aumenta o volume do Universo observável por um fator de 8: o dobro do comprimento, o dobro do largura e o dobro da profundidade.

O quarto e último fator de dois vem da expansão cosmológica, que estica o comprimento de onda para dobrar seu comprimento de onda original, reduzindo pela metade a energia por fóton. Em escalas de tempo suficientemente longas, isso fará com que a densidade de energia do Universo na forma de fótons caia assintoticamente em direção a zero, mas nunca o atingirá.

Enquanto a matéria (tanto normal quanto escura) e a radiação se tornam menos densas à medida que o Universo se expande devido ao seu volume crescente, a energia escura, e também a energia do campo durante a inflação, é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que um novo espaço é criado no Universo em expansão, a densidade de energia escura permanece constante. Observe que os quanta individuais de radiação não são destruídos, mas simplesmente diluídos e desviados para o vermelho para energias progressivamente mais baixas.

Você pode tentar ser esperto e imaginar algum tipo de partícula exótica de massa ultrabaixa que se acopla a fótons, na qual um fóton pode se converter sob as condições certas. Algum tipo de bóson ou partícula pseudoescalar – como um áxion ou axino, um condensado de neutrino ou algum tipo de par exótico de Cooper – poderia levar precisamente a esse tipo de ocorrência, mas, novamente, isso só funciona se o fóton for suficientemente alto em energia para converter para a partícula com uma massa de repouso diferente de zero via E = mc² . Uma vez que a energia do fóton fica abaixo de um limite crítico, isso não funciona mais.

Da mesma forma, você pode imaginar a melhor maneira de absorver fótons: fazendo com que eles encontrem um buraco negro. Uma vez que qualquer coisa cruze de fora do horizonte de eventos para dentro dele, não apenas nunca poderá escapar, mas sempre adicionará à energia de massa restante do próprio buraco negro. Sim, haverá muitos buracos negros povoando o Universo ao longo do tempo, e eles crescerão em massa e tamanho à medida que o tempo avança.

Mas mesmo isso só ocorrerá até certo ponto. Uma vez que a densidade do Universo caia abaixo de um certo limite, os buracos negros começarão a decair via radiação Hawking mais rápido do que crescem, e isso significa a produção de um número ainda maior de fótons do que entrou no buraco negro em primeiro lugar. Nos próximos ~10 ¹⁰⁰ anos ou mais, cada buraco negro no Universo acabará por decair completamente, com a esmagadora maioria dos produtos de decaimento sendo fótons.

Embora nenhuma luz possa escapar de dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, o espaço curvo fora dele resulta em uma diferença entre o estado de vácuo em diferentes pontos próximos ao horizonte de eventos, levando à emissão de radiação por meio de processos quânticos. É daí que vem a radiação Hawking e, para os buracos negros de menor massa, a radiação Hawking levará ao seu decaimento completo em menos de uma fração de segundo. Mesmo para os buracos negros de maior massa, a sobrevivência além de 10^103 anos ou mais é impossível devido a esse processo exato.

Então eles vão morrer? Não de acordo com as leis da física atualmente compreendidas. Na verdade, a situação é ainda mais terrível do que você provavelmente imagina. Você pode pensar em cada fóton que foi ou será:

• criado no Big Bang,
• criado a partir de transições quânticas,
• criado a partir de correções radiativas,
• criado através da emissão de energia,
• ou criado através do decaimento de buracos negros,

e mesmo se você esperar que todos esses fótons atinjam energias arbitrariamente baixas devido à expansão do Universo, o Universo ainda não ficará desprovido de fótons.

Por que isso?

Porque o Universo ainda tem energia escura nele. Assim como um objeto com um horizonte de eventos, como um buraco negro, emitirá continuamente fótons devido à diferença de aceleração perto e longe do horizonte de eventos, também um objeto com um horizonte cosmológico (ou, mais tecnicamente, um Rindler ) horizonte. O princípio da equivalência de Einstein nos diz que os observadores não podem dizer a diferença entre aceleração gravitacional ou aceleração devido a qualquer outra causa, e quaisquer dois locais não ligados parecerão acelerar um em relação ao outro devido à presença de energia escura. A física resultante é idêntica: uma quantidade contínua de radiação térmica é emitida. Com base no valor da constante cosmológica que inferimos hoje, isso significa um espectro de radiação de corpo negro com uma temperatura de ~10 ^-30 K sempre permeará todo o espaço, não importa o quão longe no futuro vamos.

Assim como um buraco negro produz consistentemente radiação térmica de baixa energia na forma de radiação Hawking fora do horizonte de eventos, um Universo em aceleração com energia escura (na forma de uma constante cosmológica) produzirá consistentemente radiação de uma forma completamente análoga: Unruh radiação devido a um horizonte cosmológico.

Mesmo no seu final, não importa o quão longe no futuro vamos, o Universo sempre continuará a produzir radiação, garantindo que nunca chegará ao zero absoluto, que sempre conterá fótons e que, mesmo nas energias mais baixas, alcançar, não deve haver mais nada para o fóton decair ou fazer a transição. Embora a densidade de energia do Universo continue a cair à medida que o Universo se expande, e a energia inerente a qualquer fóton individual continue a cair à medida que o tempo avança e avança no futuro, nunca haverá nada “mais fundamental” do que a transição em.

Existem cenários exóticos que podemos inventar que mudarão a história, é claro. Talvez seja possível que os fótons realmente tenham uma massa de repouso diferente de zero, fazendo com que eles diminuam para mais lento que a velocidade da luz quando o tempo passar. Talvez os fótons realmente sejam inerentemente instáveis, e há outra coisa que é realmente sem massa, como uma combinação de grávitons, na qual eles podem decair. E talvez haja algum tipo de transição de fase que ocorrerá, no futuro, onde o fóton revelará sua verdadeira instabilidade e decairá em um estado quântico ainda desconhecido.

Mas se tudo o que temos é o fóton como o entendemos no Modelo Padrão, então o fóton é verdadeiramente estável. Um Universo cheio de energia escura garante, mesmo quando os fótons que existem hoje se deslocam para o vermelho para energias arbitrariamente baixas, que novos sempre serão criados, levando a um Universo com um número de fótons finito e positivo e densidade de energia de fótons em todos os momentos. Só podemos ter certeza das regras na medida em que as medimos, mas a menos que falte uma grande peça do quebra-cabeça que simplesmente ainda não descobrimos, podemos contar com o fato de que os fótons podem desaparecer, mas eles nunca morrerão de verdade.

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