Чему противоречат сверхсветовые нейтрино?
Вопреки широко распространенному мнению, специальная теория относительности не запрещает само по себе существование частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Однако для таких частиц (их обобщенно называют <<тахионы>>) скорость света тоже является пределом, но только снизу -- они не могут двигаться медленнее нее. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.
Гораздо более серьезные проблемы начинаются в квантовой теории поля. Эта теория приходит на смену квантовой механике, когда речь идет про квантовые частицы с большими энергиями. В этой теории частицы -- это не точки, а, условно говоря, сгустки материального поля, и рассматривать их отдельно от поля нельзя. Оказывается, что тахионы понижают энергию поля, а значит, делают вакуум нестабильным. Пустоте тогда выгоднее спонтанно рассыпаться на огромное число этих частиц, и потому рассматривать движение одного тахиона в обычном пустом пространстве просто бессмысленно. Можно сказать, что тахион -- это не частица, а нестабильность вакуума.
В случае тахионов-фермионов ситуация несколько сложнее, но и там тоже возникают сравнимые трудности, мешающие созданию самосогласованной тахионной квантовой теории поля, включающей обычную теорию относительности.
Впрочем, это тоже не последнее слово в теории. Так же, как экспериментаторы измеряют всё, что поддается измерению, теоретики тоже проверяют все возможные гипотетические модели, которые не противоречат имеющимся данным. В частности, существуют теории, в которых допускается небольшое, не замеченное пока отклонение от постулатов теории относительности -- например, скорость света сама по себе может быть переменной величиной. Прямой экспериментальной поддержки у таких теорий пока нет, но они пока и не закрыты.
Под этой краткой зарисовкой теоретических возможностей можно подвести такой итог: несмотря на то что в некоторых теоретических моделях движение со сверхсветовой скоростью возможно, они остаются исключительно гипотетическими конструкциями. Все имеющиеся на сегодня экспериментальные данные описываются стандартными теориями без сверхсветового движения. Поэтому если бы оно достоверно подтвердилось хоть для каких-нибудь частиц, квантовую теорию поля пришлось бы кардинально переделывать.
Стоит ли считать результат OPERA в этом смысле <<первой ласточкой>>? Пока нет. Пожалуй, самым главным поводом для скепсиса остается тот факт, что результат OPERA не согласуется с другими экспериментальными данными по нейтрино.
Во-первых, во время знаменитой вспышки сверхновой SN1987A были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Это не означает, что нейтрино шли быстрее света, а лишь отражает тот факт, что нейтрино излучаются на более раннем этапе коллапса ядра при вспышке сверхновой, чем свет. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, не разошлись более, чем на несколько часов, значит, скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.
Тут, конечно, можно сказать, что нейтрино, рождающиеся при вспышках сверхновых, и нейтрино из ЦЕРНа сильно различаются по энергии (несколько десятков МэВ в сверхновых и 10-40 ГэВ в описываемом эксперименте), а скорость нейтрино меняется в зависимости от энергии. Но это изменение в данном случае работает в <<неправильную>> сторону: ведь чем выше энергия тахионов, тем ближе их скорость должна быть к скорости света. Конечно, и тут можно придумать какую-то модификацию тахионной теории, в которой эта зависимость была б совсем другой, но в таком случае придется уже обсуждать <<дважды-гипотетическую>> модель.
Далее, из множества экспериментальных данных по нейтринным осцилляциям, полученным за последние годы, следует, что массы всех нейтрино отличаются друг от друга лишь на доли электронвольта. Если результат OPERA воспринимать как проявление сверхсветового движения нейтрино, то тогда величина квадрата массы хотя бы одного нейтрино будет порядка -(100 МэВ)2 (отрицательный квадрат массы -- это и есть математическое проявление того, что частица считается тахионом). Тогда придется признать, что все сорта нейтрино -- тахионы и обладают примерно такой массой. С другой стороны, прямое измерение массы нейтрино в бета-распаде ядер трития показывает, что масса нейтрино (по модулю) не должна превышать 2 электронвольта. Иными словами, все эти данные согласовать друг с другом не удастся.
Вывод отсюда можно сделать такой: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели.
P.S.
Рональд ван Элбург (Ronald van Elburg) из Университета Гронингена в Нидерландах
Хотя скорость света не зависит от системы отсчёта, от неё зависит время движения. В данном случае есть две системы отсчёта: наземный эксперимент и часы на орбите. И так как системы эти движутся друг относительно друга, то их движение следует учесть.
Но каким же является движение спутников относительно эксперимента OPERA? Космические аппараты движутся с запада на восток в плоскости, наклонённой на 55° относительно экваториальной. Что немаловажно, примерно в этой же плоскости лежит и путь, пройденный нейтрино. Так что взаимное движение их несложно вычислить.
Итак, с точки зрения часов на борту спутника GPS, положение источника нейтрино и их приёмника изменяется. «С точки зрения часов, приёмник движется в направлении источника — следовательно, пройденное частицами расстояние, наблюдаемое часами, — короче», говорит ван Элбург.
(Он имеет в виду — короче, чем расстояние, измеренное в наземной системе отсчёта.)
Группа учёных OPERA упускает это из виду, так как рассматривает часы в качестве наземных, а не орбитальных.
Насколько значителен этот эффект? По вычислениям ван Элбурга, он должен вызвать прибытие нейтрино на 32 наносекунды раньше. Но это значение следует удвоить, так как эта ошибка происходит в начальной и в конечной точке эксперимента. Общая поправка составит 64 наносекунды — почти в точности соответствуя наблюдениям группы OPERA.
http://habrahabr.ru/blogs/gps/130669/
Вопреки широко распространенному мнению, специальная теория относительности не запрещает само по себе существование частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Однако для таких частиц (их обобщенно называют <<тахионы>>) скорость света тоже является пределом, но только снизу -- они не могут двигаться медленнее нее. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.
Гораздо более серьезные проблемы начинаются в квантовой теории поля. Эта теория приходит на смену квантовой механике, когда речь идет про квантовые частицы с большими энергиями. В этой теории частицы -- это не точки, а, условно говоря, сгустки материального поля, и рассматривать их отдельно от поля нельзя. Оказывается, что тахионы понижают энергию поля, а значит, делают вакуум нестабильным. Пустоте тогда выгоднее спонтанно рассыпаться на огромное число этих частиц, и потому рассматривать движение одного тахиона в обычном пустом пространстве просто бессмысленно. Можно сказать, что тахион -- это не частица, а нестабильность вакуума.
Впрочем, это тоже не последнее слово в теории. Так же, как экспериментаторы измеряют всё, что поддается измерению, теоретики тоже проверяют все возможные гипотетические модели, которые не противоречат имеющимся данным. В частности, существуют теории, в которых допускается небольшое, не замеченное пока отклонение от постулатов теории относительности -- например, скорость света сама по себе может быть переменной величиной. Прямой экспериментальной поддержки у таких теорий пока нет, но они пока и не закрыты.
Под этой краткой зарисовкой теоретических возможностей можно подвести такой итог: несмотря на то что в некоторых теоретических моделях движение со сверхсветовой скоростью возможно, они остаются исключительно гипотетическими конструкциями. Все имеющиеся на сегодня экспериментальные данные описываются стандартными теориями без сверхсветового движения. Поэтому если бы оно достоверно подтвердилось хоть для каких-нибудь частиц, квантовую теорию поля пришлось бы кардинально переделывать.
Стоит ли считать результат OPERA в этом смысле <<первой ласточкой>>? Пока нет. Пожалуй, самым главным поводом для скепсиса остается тот факт, что результат OPERA не согласуется с другими экспериментальными данными по нейтрино.
Во-первых, во время знаменитой вспышки сверхновой SN1987A были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Это не означает, что нейтрино шли быстрее света, а лишь отражает тот факт, что нейтрино излучаются на более раннем этапе коллапса ядра при вспышке сверхновой, чем свет. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, не разошлись более, чем на несколько часов, значит, скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.
Тут, конечно, можно сказать, что нейтрино, рождающиеся при вспышках сверхновых, и нейтрино из ЦЕРНа сильно различаются по энергии (несколько десятков МэВ в сверхновых и 10-40 ГэВ в описываемом эксперименте), а скорость нейтрино меняется в зависимости от энергии. Но это изменение в данном случае работает в <<неправильную>> сторону: ведь чем выше энергия тахионов, тем ближе их скорость должна быть к скорости света. Конечно, и тут можно придумать какую-то модификацию тахионной теории, в которой эта зависимость была б совсем другой, но в таком случае придется уже обсуждать <<дважды-гипотетическую>> модель.
Далее, из множества экспериментальных данных по нейтринным осцилляциям, полученным за последние годы, следует, что массы всех нейтрино отличаются друг от друга лишь на доли электронвольта. Если результат OPERA воспринимать как проявление сверхсветового движения нейтрино, то тогда величина квадрата массы хотя бы одного нейтрино будет порядка -(100 МэВ)2 (отрицательный квадрат массы -- это и есть математическое проявление того, что частица считается тахионом). Тогда придется признать, что все сорта нейтрино -- тахионы и обладают примерно такой массой. С другой стороны, прямое измерение массы нейтрино в бета-распаде ядер трития показывает, что масса нейтрино (по модулю) не должна превышать 2 электронвольта. Иными словами, все эти данные согласовать друг с другом не удастся.
Вывод отсюда можно сделать такой: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели.
P.S.
Рональд ван Элбург (Ronald van Elburg) из Университета Гронингена в Нидерландах
Хотя скорость света не зависит от системы отсчёта, от неё зависит время движения. В данном случае есть две системы отсчёта: наземный эксперимент и часы на орбите. И так как системы эти движутся друг относительно друга, то их движение следует учесть.
Но каким же является движение спутников относительно эксперимента OPERA? Космические аппараты движутся с запада на восток в плоскости, наклонённой на 55° относительно экваториальной. Что немаловажно, примерно в этой же плоскости лежит и путь, пройденный нейтрино. Так что взаимное движение их несложно вычислить.
Итак, с точки зрения часов на борту спутника GPS, положение источника нейтрино и их приёмника изменяется. «С точки зрения часов, приёмник движется в направлении источника — следовательно, пройденное частицами расстояние, наблюдаемое часами, — короче», говорит ван Элбург.
(Он имеет в виду — короче, чем расстояние, измеренное в наземной системе отсчёта.)
Группа учёных OPERA упускает это из виду, так как рассматривает часы в качестве наземных, а не орбитальных.
Насколько значителен этот эффект? По вычислениям ван Элбурга, он должен вызвать прибытие нейтрино на 32 наносекунды раньше. Но это значение следует удвоить, так как эта ошибка происходит в начальной и в конечной точке эксперимента. Общая поправка составит 64 наносекунды — почти в точности соответствуя наблюдениям группы OPERA.
http://habrahabr.ru/blogs/gps/130669/
Комментариев нет:
Отправить комментарий