|
Нейтрино не могут двигаться быстрее света
|
|
|
|
В сентябре 2011 года эксперимент OPERA в ЦЕРНЕ показал, что нейтрино движутся быстрее света. Около двухсот статей пытались осмыслить результаты с точки зрения новой физики. В июле 2012 года экспериментаторы скорректировали свой вывод после дальнейшего анализа и заявили, что скорость нейтрино соответствует скорости света. Ошибка была связана с экспериментальным оборудованием. Ошибка возникла из-за обрыва оптоволоконного кабеля, соединявшего GPS-приемник с часами OPERA master, что привело к увеличению временной задержки при передаче данных.
|
|
|
|
Оглядываясь назад, можно сказать, что этой коррекции следовало ожидать. Открытие стабильных черных дыр демонстрирует, что нейтрино не могут перемещаться быстрее света. Аргумент, который будет объяснен ниже, прост.
|
|
|
|
Черные дыры - это экстремальные структуры пространства-времени, которые образуются, когда материя сжимается в точку и оставляет после себя пустое пространство. Карл Шварцшильд вывел в январе 1916 года конечное состояние такого коллапса в качестве статического решения уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которые были опубликованы всего за пару месяцев до этого. Центральная точечная сингулярность окружена горизонтом событий, сферической поверхностью радиусом GM/c^ 2, где M - масса, которая упала на землю, а c - скорость света. Шварцшильдовский радиус горизонта событий равен 3 километрам для солнечной массы. Решение Шварцшильда подразумевает, что ни одна частица, движущаяся ниже или со скоростью света, не может покинуть пределы горизонта событий.
|
|
|
|
|
|
|
Однако нейтрино, движущиеся быстрее света, могли бы вырваться из этой пространственно-временной тюрьмы. Каковы были бы последствия этого?
|
|
|
|
После того, как ядро массивной звезды израсходует свое ядерное топливо, оно теряет поддержку давления и разрушается под действием собственной силы тяжести. Для простоты давайте представим, что ядро звезды представляет собой сферу с однородной плотностью вещества. Когда сфера сжимается, она остается однородной до тех пор, пока скорость сжатия каждой внутренней оболочки пропорциональна ее расстоянию от центра. Это означает, что при большом сжатии все части сферы достигнут центра одновременно. Эта синхронизированная судьба напоминает обращение вспять космического расширения во времени после Большого взрыва.
|
|
|
|
Как только внешняя граница сжимающейся сферы становится меньше радиуса Шварцшильда, рождается черная дыра, окруженная горизонтом событий. Внутри, ближе к горизонту, сжимающаяся сфера будет продолжать сжиматься до тех пор, пока вся материя не достигнет центральной сингулярности в момент Большого сжатия. По мере того как сфера сжимается, она будет в обратном порядке проходить стандартные этапы космической истории после Большого взрыва. В то время как сжимающаяся сфера становится плотнее и горячее за счет гравитационного сжатия, все частицы в ней нагреваются до температур, значительно превышающих их массу покоя, и их энергетические столкновения приводят к образованию излучения. В конечном счете, излучение будет доминировать в соотношении энергии и массы и включать фотоны, нейтрино и релятивистские частицы, такие как электрон-позитронные пары. В конечном итоге протоны и нейтроны распадутся на горячий плотный суп из кварков и глюонов, который будет нагреваться еще больше по мере продолжения сжатия.
|
|
|
|
Если бы нейтрино могли перемещаться быстрее света, они смогли бы вырваться из этой пространственно-временной тюрьмы. Выход нейтрино, которые движутся быстрее света, привел бы к утечке энергии за пределы черной дыры и постоянному уменьшению внутренней массы. По мере утечки нейтрино сжимающаяся сфера излучения при постоянно растущей температуре будет пополнять их и восстанавливать тепловое равновесие за счет столкновений частиц, возможно, вплоть до планковской температуры. В результате из черной дыры будет непрерывно вытекать больше энергии в виде нейтрино. Постоянная утечка сверхсветовых нейтрино означала бы, что черная дыра будет продолжать терять массу.
|
|
|
|
Временной интервал для такого процесса испарения невелик, поскольку черная дыра с массой в десять солнечных масс имеет радиус Шварцшильда в 30 километров, что соответствует размеру крупного города. Время прохождения света в этом пространственном масштабе очень короткое, всего лишь десятая доля миллисекунды. Такое время на 21,6 порядка меньше, чем возраст Вселенной. Нейтрино, движущиеся быстрее света, могут быстро истощить массу черной дыры звездной массы после коллапса родительского звездного ядра, в результате чего черная дыра исчезнет как призрак до того, как астрономы смогут ее наблюдать.
|
|
|
|
С 14 сентября 2015 года, спустя столетие после того, как было получено решение Шварцшильда, мы точно знаем, что черные дыры с массами звездных ядер стабильны. Доказательством стало обнаружение гравитационных волн LIGO при слиянии таких черных дыр. К настоящему времени обсерваториями LIGO,KAGRA и Virgo обнаружено около сотни слияний черных дыр. Этих стабильных черных дыр не существовало бы, если бы нейтрино могли перемещаться быстрее света и истощать свою массу.
|
|
|
|
Мы наивно полагаем, что фундаментальная физика лучше всего раскрывается в лабораторных экспериментах на Земле. Однако, поскольку фундаментальные физические принципы универсальны, все, к чему мы приходим, глядя вниз, на Землю, должно соответствовать тому, что мы обнаруживаем, глядя вверх, на Вселенную.
|
|
|
|
Если бы Карл Шварцшильд мог прожить еще 150 лет, он был бы рад узнать, что, как он и предсказывал, стабильные черные дыры возникают в результате коллапса массивных звезд. Но как еврей-патриот Германии, он погиб во время Первой мировой войны 11 мая 1916 года, всего через четыре месяца после публикации своего "решения проблемы черной дыры". Стоила ли его жизнь того, чтобы пожертвовать ею ради немецкого патриотизма, учитывая холокост его собратьев-евреев всего два десятилетия спустя? Ясно одно: горизонт событий Шварцшильда был слишком коротким.
|
|
|
|
Обнаружение оборванного оптоволоконного кабеля в эксперименте OPERA демонстрирует, насколько оригинальным является решение проблемы черных дыр Шварцшильда. Вчера вечером за ужином в ресторане со своей женой я поднял тост в честь стабильных черных дыр как идеальных тюрем, из которых ничто не может сбежать. Официант узнал меня и спросил: “Вы Ави Леб, астрофизик? Я видел вас в подкастах. Какую марку вина вы бы хотели заказать сегодня вечером?”
|
|
|
|
Источник
|
