Скорость света — все-таки предел!
В прошлом обзоре рассказывалось о бурной дискуссии по поводу того, что скорость движения потока нейтрино оказалась больше скорости света. Первые сообщения о регистрации мюонных нейтрино, движущихся со сверхсветовой скоростью, появились 23 сентября 2011 года. Тогда удалось установить (эксперимент группы OPERA), что нейтрино из CERN приходят в Гран-Сассо в среднем на 60 наносекунд раньше расчетного времени. Получалось, что частицы движутся с 1,0000248 световой скорости. И вот 8 июня 2012 года информационный портал «Лента. Ру» сообщил, что в этой дискуссии поставлена точка (): CERN официально опроверг информацию о сверхсветовых нейтрино.
По словам Серджио Бертолуччи, директора по исследованиям CERN, данные о сверхсветовых скоростях частиц стали результатом ошибки эксперимента, которую удалось обнаружить благодаря данным «конкурирующих» с OPERA экспериментов — Borexino, ICARUS и LVD. Во всех четырех экспериментах измерялись времена прибытия нейтринных пучков.
За несколько последних месяцев появилось большое количество разных объяснений удивительного явления, как теоретических, так и связанных с практической реализацией эксперимента. В частности, французские и итальянские астрофизики выдвигали гипотезу о том, что «сверхсветовые нейтрино» могут объяснить наблюдаемые свойства загадочных гамма-всплесков ().
На самом же деле все оказалось просто: оптико-волоконный кабель от приемника GPS был плохо соединен с компьютером. Между тем, расчеты времени прохождения сигнала по кабелю очень чувствительные к таким, казалось бы, маловажным деталям. Когда сугубо технический недосмотр исправили, физики заново вычислили, за какое время оптический сигнал проходил по кабелю — это время оказалось меньше на те самые 60 наносекунд!
Кто открыл расширение Вселенной?
Большой интерес научного сообщества вызвала дискуссия об истории главного открытия современной астрофизики — расширения Вселенной.
Как известно, в 1917 году Альберт Эйнштейн вывел из своих фундаментальных уравнений общей теории относительности решение для статической модели. В 1922 году российский физик Александр Фридман обнаружил, что уравнения Эйнштейна допускают динамическую Вселенную, однако он не связывал это открытие с астрономическими наблюдениями. За исключением Эйнштейна, который не считал динамические решения физически состоятельными, никто не обратил внимания на работы Фридмана. И только в 1927 году еще один выдающийся теоретик — бельгийский ученый и католический священник Жорж Лемэтр — также нашел нестационарное решение уравнений Эйнштейна. Если Фридман исследовал эти уравнения с чисто математических позиций, без каких-либо попыток связать их со свойствами реальной Вселенной, то совершенно независимая работа Лемэтра, напротив, была прямо вдохновлена идеей установления этих свойств в самом практическом смысле.
Лемэтр не только предложил решение (намного более ясное с физической точки зрения), в котором теоретически был сформулирован закон расширения Вселенной, но и проанализировал данные, полученные из наблюдений Эдвина Хаббла 1926 года о расстояниях до внегалактических объектов и данные Алана Слайфера по красным смещениям линий в спектрах галактик. С помощью этих данных Лемэтр впервые получил численную оценку коэффициента пропорциональности между скоростью удаления галактики и расстоянием до нее. Позже этот коэффициент получил название «параметр Хаббла».
Тем временем к 1929 году выдающийся американский астроном Эдвин Хаббл, проведя многочисленные тщательные измерения расстояний до галактик и их радиальных скоростей, сформулировал знаменитый закон, носящий его имя. Этот закон гласит, что подавляющее большинство галактик удаляется от нас, причем скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до нее. Такой вывод был сделан на основании эффекта смещения спектральных линий света, приходящего от галактик; этот эффект принято называть «красным смещением», а его связь с радиальной скоростью первоначально связывали с эффектом Доплера. Об этой связи первым написал сам Лемэтр в своей статье, хотя фактически из его анализа следовал иной (не кинематический) механизм явления — теперь его связывают со «старением» фотонов в процессе расширения Вселенной. Мы еще вернемся позже к обсуждению этого вопроса.
Так вот, тема проходившей в последнее время дискуссии была следующей: пытался ли Хаббл при издании перевода статьи Лемэтра на английский язык в 1931 году умалить роль Лемэтра, изъяв из перевода параграф, где автор статьи вычисляет значение коэффициента пропорциональности, ссылаясь на данные наблюдений.
В электронном Архиве научных публикаций (), который в настоящее время является наиболее оперативным и полным источником серьезной научной информации по физике, астрономии и космологии в Интернете, не так давно появился ряд публикаций, авторы которых тщательно исследовали историю появления, редактирования и публикации английской версии статьи Лемэтра. Обсуждение было весьма эмоциональным, приводились аргументы и соображения в пользу того, что Хаббл вполне был способен сознательно подвергнуть статью цензуре (или как-то косвенно повлиять на редакцию), чтобы выпятить собственную роль в открытии. (Об этом можно прочитать в статьях: arXiv:1107.2281v2; arXiv:1108.0709v1; arXiv:1106.3928v2).
Наконец, в номере журнала «Nature» (10.11.2011) появилась статья израильского ученого, работающего в США, Марио Ливио «Тайна перевода статьи Лемэтра раскрыта» (Mario Livio «Mystery of the missing text solved»). Чтобы найти окончательный ответ, он получил разрешение от библиотекаря Королевского Астрономического Общества и шеф-редактора авторитетного журнала «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» изучить протоколы и переписку Совета Королевского Астрономического Общества за 1931 год. В результате архивного поиска Ливио обнаружил два решающих документа, из которых следовало, что английский текст статьи был написан самим Лемэтром, и пресловутый параграф из французского первоисточника он не включил в нее, поскольку объем астрономических данных увеличился, и они были хорошо известны к тому времени. Таким образом, репутация Хаббла оказалась восстановленной.
Особо отметим, что эта современная историко-научная дискуссия вовсе не о приоритетах. Сегодня, когда авторами крупных научных открытий являются, как правило, большие научные коллективы, индивидуальный приоритет «уходит в тень». Но важно, что добросовестность и добропорядочность ученых была и остается краеугольным камнем научной этики. И рассмотренная выше ситуация с «открытием» сверхсветовых нейтрино и, в еще большей степени, с их «закрытием», особенно показательна в этом отношении.
Эффект Доплера или «растяжение» световой волны?
Вернемся, однако, к объяснению «красного смещения». В 1927 году Ж. Лемэтр предпринял попытку объяснить этот эффект на основе общей теории относительности (ОТО) применительно к расширяющейся Вселенной. Хотя он использовал термин «эффект Доплера», фактически его модель явления опиралась не на величину относительной скорости (т. е. на кинематический фактор), а на величину расстояния до галактики в момент излучения ею фотона. Такая модель основана на фундаментальном утверждении общей теории относительности о том, что свет распространяется по геодезическим мировым линиям с постоянной скоростью. Геодезические линии — это линии кратчайшего расстояния между точками в пространстве данной кривизны. На плоскости они являются прямыми, а на сфере — дугами.
Из постоянства скорости следует, что в процессе пространственного расширения Вселенной пропорционально «растягивается» и время. Далее Лемэтр рассмотрел моменты излучения и наблюдения переднего и заднего гребней световой волны: поскольку на этапе наблюдения интервалы времени растянуты относительно этапа излучения. Он и сделал вывод о «красном смещении» светового кванта.
Наблюдения подтверждают вывод о растяжении времени: так, теоретически стандартный период времени между основными фазами кривой яркости сверхновой при наблюдениях действительно оказывается пропорциональным удаленности сверхновой от земного наблюдателя. Поэтому объяснение красного смещения, предложенное Лемэтром, является общепринятым. Однако такое объяснение входит в фундаментальное противоречие с законом сохранения энергии во Вселенной. Поскольку энергия светового кванта однозначно определяется длиной его волны — чем больше длина волны, тем меньше энергия, — то, если длина волны растет (квант «краснеет»), энергия световых квантов в процессе расширения Вселенной уменьшается. Но куда исчезает этот избыток энергии? Если энергия кванта в процессе движения не передается ничему, то ее уменьшение может иметь место лишь при нарушении закона сохранения энергии; если же квант терял бы часть своей энергии («старел»), передавая ее другим фотонам или частицам среды, то направление его движения изменялось бы, изображения далеких галактик были бы расплывчатыми, нечеткими и размытыми тем сильнее, чем дальше эта галактика находится. На самом же деле изображения как близких, так и далеких галактик достаточно четкие и не зависят от их удаленности от наблюдателя.
Поэтому появились работы, в которых изучалась возможность использования эффекта Доплера для объяснения красного смещения. Так, в недавней работе Фульвио Мелиа из США (arXiv:1202.0775v1) обращается внимание на весьма интересное обстоятельство: точно такое же выражение для параметра красного смещения получается в статической метрике (точнее, в шести различных моделях статической метрики), где расширение Вселенной вообще не имеет места, и речь может идти только об эффекте Доплера.
Более того, в работах Банна и Хогга (Bunn, E. F., Hogg, D. W. 2009, AmJPh, 77, 688 (BH9), а также М. Ходоровского (Michal J. Chodorowski, arXiv:0911.3536v3) авторы обосновывают тезис, согласно которому космологическое красное смещение имеет чисто кинематическую природу.
Однако, вопреки этим результатам, в работе Браека и Элгароу (Simen Braeck and Oystein Elgaroy, arXiv:1206.0927v1) выводится точная формула для космологического красного смещения. В правой части этой формулы стоит произведение обычного выражения для релятивистского (кинематического) эффекта Доплера и хорошо известного «гравитационного» отношения радиусов кривизны Вселенной в моменты излучения и наблюдения света для космологического красного смещения. Из формулы следует, что для сопутствующих наблюдателей, т. е. наблюдателей, движущихся вместе со световым квантом, красное смещение является эффектом, обусловленным исключительно расширением Вселенной, и оно может рассматриваться в качестве эффекта Доплера только тогда, когда расстояние между наблюдателем и источником света обращается в нуль (о переводах этих работ см. выше сноску). Что ж — дискуссия продолжается…
Ускоряется ли расширение Вселенной?
В обзоре научных новостей предыдущего выпуска мой коллега, ведя речь о присуждении Нобелевской премии по физике за 2011 год в связи с открытием ускоренного расширения Вселенной в нашу эпоху, справедливо писал: «Все эти подтверждения опираются именно на представления Стандартной космологической модели. Однако не следует думать, что вопрос об интерпретации экспериментальных данных, полученных лауреатами, закрыт».
Я бы хотел уточнить, что, строго говоря, экспериментально было открыто вовсе не ускоренное расширение Вселенной, а специфический астрофизический эффект: видимая яркость сверхновых типа Ia изменялась с расстоянием до них не совсем так, как ожидалось. Чтобы объяснить этот эффект, и была доработана Стандартная модель, в которую пришлось ввести новую степень свободы — так называемую космологическую постоянную, введенную (а потом исключенную из теории) когда-то еще самим Эйнштейном. Подобрав численное значение этой постоянной, авторы открытия добились удовлетворительного совпадения наблюдательных данных с теорией. Справедливости ради добавлю, что это же значение космологической постоянной хорошо соответствует данным по гравитационному линзированию (искривлению световых лучей при прохождении мимо массивных объектов) и эффекту Сюняева-Зельдовича (изменение интенсивности радиоизлучения космического фона при рассеянии на горячих электронах межзвездного и межгалактического газа).
Аналогичное возражение приводится в статье известного польского космолога Анджея Красиньски (Andrzej Krasinski, arXiv:1110.1828v1): «Ускоренное расширение» Вселенной является не наблюдаемым феноменом, а элементом интерпретации наблюдений, к которой нас побуждают принятые большинством космологов модели. Сам Красиньски предлагает альтернативную возможность объяснения открытого эффекта пониженной светимости сверхновых на основе модели неоднородной Вселенной, в которой «ускоренное расширение» оказывается иллюзией (о переводах этих работ см. выше сноску).
Открытие века?
4 июля 2012 г. на семинаре CERN в Женеве произошло событие, которого ждали все, кто хотя бы краем уха следит за новостями науки. Суть этого события изложена в пресс-релизе CERN () и состоит в том, что бозон Хиггса экспериментально «почти обнаружен».
Что это означает для современной физики? Рассказать об этом «в двух словах» так же трудно, как изложить содержание «Улисса» Джойса или «Войны и мира» Толстого в формате «Abstract». Тем не менее, в следующем обзоре научных новостей нашего журнала мы постараемся это сделать.
А пока отсылаем читателя к многочисленным комментариям в интернете — они помогут «войти в тему» тем, кто хочет этого.