Действительно ли сверхновая SN1987 испустила два импульса нейтрино?
Did SN1987a emit two neutrino pulses?
Новая поправка к скорости света могла бы объяснить выброс нейтрино от сверхновой SN1987
Действие гравитации на виртуальные пары электрон-позитрон, пролетающих в космосе, может привести к нарушению принципа эквивалентности Эйнштейна, согласно вычислениям Джеймса Фрэнсона [James Franson] из Университета в Мэриленде. Не смотря на то, что эффект довольно мизерный для непосредственного измерения современными экспериментальными методами, он мог бы объяснить озадачивающую аномалию, наблюдавшуюся в 1987 году у известной сверхновой звезды SN1987.
В современной теоретической физике три из четырех фундаментальных сил - электромагнитная сила, слабая ядерная сила и сильная ядерная сила - описаны квантовой механикой. Четвертая сила, гравитационная сила, в настоящее время не имеет квантовой формулировки и лучше всего описана общей теорией относительности Эйнштейна. Согласование теории относительности с квантовой механикой является поэтому важной и активной областью физики.
Нерешенный вопрос для теоретических физиков - как сила гравитации действует на квантовый объект, такой как фотон. Астрономические наблюдения неоднократно показывали, что свет подвержен действию гравитации. Традиционно, это описывается общей теорией относительности: гравитационное поле искривляет пространство-время, и свет замедляется (и немного отклоняется), проходя через искривленную область. В квантовой электродинамике фотон, распространяющийся в космосе, может иногда самоуничтожаться, создавая виртуальную пару электрон-позитрон. Вскоре после этого электрон и позитрон рекомбинируют, воссоздавая фотон. Если они находятся в гравитационном потенциале тогда, в течение короткого времени они существуют как массовые частицы и они подвержены действию гравитации. Когда они рекомбинируют, они создадут фотон с немного сдвинутой энергией и движущийся слегка медленнее, чем если бы не было никакого гравитационного потенциала.
Несовместимые различия
Фрэнсон тщательно исследовал эти два объяснения того, почему свет замедляется, проходя через гравитационный потенциал. Он решил вычислить, на сколько свет должен замедлиться согласно каждой теории, ожидая получить одинаковый ответ. Однако он был удивлен: предсказанные изменения в скорости света не совпадают, и этому есть некоторые очень странные следствия.
Фрэнсон вычислил, что, рассматривая свет как квантовый объект, изменение в скорости фотона зависит не от напряженности гравитационного поля, а от собственно гравитационного потенциала. Однако это приводит к нарушению принципа эквивалентности Эйнштейна - что гравитация и ускорение неразличимы - потому что в гравитационном поле гравитационный потенциал создается вместе с массой, тогда как в системе отсчета, ускоряющейся в свободном падении, такого нет. Поэтому, можно было бы отличить гравитацию от ускорения тем, замедляется ли фотон или нет, когда он проходит через создание пары античастица-частица.
Важный пример - фотон и нейтрино, распространяющиеся параллельно в космосе. Нейтрино не может аннигилировать и создать пару электрон-позитрон, таким образом, фотон замедлится больше, чем нейтрино, поскольку они проходят через гравитационное поле, которое в принципе позволяет нейтрино перемещаться быстрее, чем свету через эту область пространства. Однако, если задача рассматривается в системе отсчета, падающей свободно в гравитационном поле, то ни фотон, ни нейтрино не замедляются вообще, и, таким образом, фотон продолжает двигаться быстрее, чем нейтрино.
Два импульса нейтрино?
Не смотря на то, что идея о возможной зависимости законов физики от системы отсчета, кажется бессмысленной, она могла бы объяснить аномалию в наблюдении 1987 года за сверхновой звездой SN1987. Начальный импульс нейтрино был обнаружен за 7.7 часов до того, как первый свет от SN1987 достиг Земли. Этому предшествовал второй импульс нейтрино, пришедший приблизительно за три часа до света от сверхновой звезды. Сверхновые звезды, как полагают, испускают большое количества нейтрино и трехчасовой промежуток между вторым выбросом нейтрино и прибытием света согласуется с сегодняшней теорией коллапса звезды и появлением сверхновой звезды.
Первый импульс нейтрино, как обычно думают, не связан со сверхновой звездой. Однако вероятность такого совпадения статистически маловероятна. Если результаты Фрэнсона правильны, то 7.7-часовой промежуток между первым пульсом нейтрино и прибытием света можно было бы объяснить гравитационным потенциалом Млечного пути, замедляющего свет. Это не объясняет, почему два импульса нейтрино предшествовали свету, но Фрэнсон предполагает, что второй импульс мог быть связан с двухступенчатым коллапсом звезды.
Необходим скептицизм
Тем не менее Фрэнсон осторожен, настаивая что "есть очень серьезные причины скептически относиться к этому, и статья не утверждает, что это - реальный эффект, но лишь только что это - возможность". Он также пессимистичен о перспективах идеи, в плане доказательства или опровержения ее в ближайшем будущем, говоря, что шансы обнаружить другую сверхновую звезду так близко очень низкие, а у других возможных тестов в настоящее время нет достаточной точности, чтобы обнаружить эффект.
Рэймонд Чиэо [Raymond Chiao] из Калифорнийского университета, Мерсед, соглашается с Фрэнсоном, что, наблюдательно и экспериментально, "есть много сомнений, которые должны быть разъяснены", и прежде всего, если гипотетическая интерпретация Фрэнсона SN1987 правильная и есть два ясных импульса нейтрино, отделенных пятью часами, то мало доказательств двух соответствующих импульсов света. Тем не менее он говорит, что "Имеется глубоко укоренившаяся концептуальная напряженность между общей теорией относительности и квантовой механикой... Если, действительно, Фрэнсон прав, это станет огромным шагом, по моему мнению: это кусочек верхушки айсберга, что квантовая механика правильная, а общая теория относительности должна быть ошибочная".