И немного о нейтриноРассказ о нейтрино я затеваю для того, чтобы потом поговорить о том, из чего же может состоять темная материя.
Итак, нейтрино. Одна из самых загадочных элементарных частиц.
В течение десятилетий после того, как была открыта эта удивительная частица, практически не взаимодействующая с веществом, считалось, что она не имеет массы покоя и может двигаться исключительно со скоростью света.
На это имели полное право. В первую очередь, потому что в лабораторных исследованиях нейтрино действительно распространялись со скоростью света (в пределах ошибки измерений). Соответственно, отсюда следовало, что масса покоя нейтрино равна нулю (в пределах все той же ошибки измерений) - ибо только в таком случае частица может двигаться со скоростью света.
Разумеется, всегда была вероятность того, что точность измерений недостаточна - и масса покоя нейтрино не равна нулю, а просто очень мала, и их скорость не равна скорости света, а просто очень к ней близка.
Сомнения практически рассеялись 23 февраля 1987 года. Событие, происшедшее в тот день, началось давно.
Когда-то, примерно сто семьдесят тысяч лет назад, в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии около ста пятидесяти тысяч световых лет от нас два гиганта тесной двойной пары - один массой в пятнадцать солнечных, другой в пять - слились в единое целое. Это относительно редкое событие осталось незамеченным - свет от него достиг Земли за двадцать тысяч лет до изобретения телескопа.
После слияния образовавшаяся звезда сбросила внешнюю оболочку двух звезд-предшественниц, имевшую форму восьмерки, в результате чего вокруг вновь образованной единой звезды возникло облако интересной формы - два деформированных шара с перетяжкой.
Жить полученной звезде оставалось недолго. Всего лишь двадцать тысяч лет. И еще сто пятьдесят тысяч лет - чтобы свет от происходящих с ней событий добрался до нас. Так что все происходившее человечество видело с опозданием.
23 февраля 1987 года в два часа пятьдесят две минуты пять нейтрино, зарегистрированные нейтринной обсерваторией в туннеле под Монбланом, возвестили о том, что где-то во Вселенной наблюдается грандиозная нейтринная вспышка URCA-процесса (вспомните рассказ о взрывах сверхновых в предыдущей теме!), и начинается коллапс ядра будущей сверхновой звезды. Через два с половиной часа еще три нейтринные обсерватории зафиксировали резкий нейтринный всплеск основной стадии коллапса (24 нейтрино, зарегистрированные за тринадцать секунд), источник которого ориентировочно наблюдался в Большом Магеллановом облаке.
Через три часа после коллапса чудовищная ударная волна докатилась до поверхности звезды - и в десять тридцать пять люди увидели и начали фиксировать на телескопах все стадии самой яркой вспышки сверхновой, наблюдавшейся с момента изобретения телескопа.
А потом начались расчеты. Модель процессов взрыва сверхновой типа II известна, и разность времени между URCA-процессом и началом видимой вспышки - тоже. И разность времен между регистрацией нейтрино и видимой стадии укладывалась в модель - расхождение не могло быть более получаса.
Вдумаемся. Если скорость нейтрино ниже скорости света, то за 180 тысяч лет нейтрино в этом наблюдении отстали от света не более,чем на полчаса. То есть, минимальная скорость, с которой могли распространяться нейтрино, составляла 0,99999985 скорости света, что означало, что масса нейтрино не может быть больше 0,00005 массы самой легкой известной частицы - электрона.
Если это - не скорость света и не нулевая масса, то что же?
Таким образом, вывод был вполне естественным - нейтрино не имеют массы покоя и поэтому двигаются со скоростью света.
А дальше пошло хуже.
Известно, что нейтрино бывают разными - известны и, как правило, предполагается (но формально не доказано), что их существует три "сорта", именуемых ароматами или поколениями, или флейворами (по крайней мере, нынче они найдены) - электронные, мюонные и тау-нейтрино. И соответствующие им электронные, мюонные и тау-антинейтрино. Тождественны ли нейтрино и антинейтрино друг другу - это пока неизвестно, но возможно.
Небольшое примечание: Количество реально существующих типов нейтрино теоретически влияет на особенности углового распределения регулярных неоднородностей реликтового фона - тех самых, изучая которые, можно изучать акустические волны на поверхности последнего рассеяния (которые впоследствии стали сверхскоплениями и гиперскоплениями галактик) и даже измерять кривизну Вселенной.
По уточненным данным этого изучения количество типов нейтрино действительно равно 3,26±0,35 (интервал ±5σ) - то есть, скорее всего, все существующие типы нейтрино уже открыты.Из весьма общих представлений предполагается, что каждому из лептонов - электрону, мюону и тау-лептону - соответствует свой тип нейтрино, а количество сортов нейтрино и остальных лептонов в сумме должно быть равно количеству сортов ("ароматов", флейворов) кварков.
И в конце концов, было экспериментально доказано, что эти три поколения нейтрино умеют "превращаться один в другой" (теоретически, замечу, такая возможность была предсказана более полувека назад). То есть, если говорить очень упрощенно, электронное нейтрино в ходе своей жизни превращается случайным образом то в мюонное, то в тау, то опять в электронное. Если же говорить чуть более строго, это означает, что любое реальное нейтрино, будучи единым в сущности объектом, в любой момент времени представляет собой смесь трех состояний, а каким именно стать, оно выбирает лишь в момент наблюдения (примерно тем же способом, каким несчастная кошка Шредингера в момент наблюдения выбирает, жить ей или умереть полчаса назад, а электрон в известном опыте - через какую дырку ему пролететь, когда за ним наблюдают - если же не наблюдают, он является смесью двух состояний, одно из которых пролетело через одну дырку, другое - через другую).
Но это - еще не все. Теория гласит, что для подобных превращений ("нейтринных осцилляций") необходимо, чтобы нейтрино имело массу покоя. Более того, масса покоя каждого из поколений нейтрино должна быть различной, поскольку, условно говоря, скорость происходящих осцилляций определяется разностью квадратов масс каждого состояния, и если массы поколений равны, осцилляции не происходят.
Это было неожиданно. Мягко говоря.
Позже в дело вступила космология, указав, что, если нейтрино имеет массу покоя, эта масса на ранних порах жизни Вселенной (а именно, в первую секунду) существенно влияла бы на распространение пресловутых акустических колебаний в плазме, а следовательно, на характер распределения крупномасштабных неоднородностей в веществе нашего мира и крупномасштабную структуру Вселенной. Изучение крупномасштабной структуры и неоднородности реликтового излучения позволяет не только определить количество существующих типов нейтрино, но и рассчитать верхний предел суммы масс всех поколений нейтрино, сколько бы их не было - три, четыре или больше, поскольку при большей массе нейтрино бы заметно исказили наблюдаемую картину. И вот оказывается, что такая оценка дает информацию о том, что сумма масс всех поколений нейтрино не может превышать 0,00000022 массы электрона.
Такая масса частицы уже укладывается в голове с трудом. Но, хотим мы, или не хотим - при этом эксперименты все же упорно показывают, что в рамках существующих физических представлений масса покоя у всех типов нейтрино все же есть - ну, хоть какая-нибудь.
А дальше речь пойдет не только о нейтрино, но и о quantum entanglement.
Сразу говорю, я не знаю, как следует переводить на русский язык это словосочетание. Есть варианты "квантовое сцепление", "квантовая спутанность", "квантовая запутанность" и "квантовая перепутанность". А может, еще какие-нибудь. Словом, quantum entanglement - а дальше как угодно.
В последнее время это явление стало модной темой - частично потому, что его осмысление достаточно сложно, частично потому, что популяризаторы подчас сами не понимают, о чем пишут (вот и получаются заголовки типа "Ученые опровергли Эйнштейна и передали сигнал в сто раз быстрее скорости света!").
Итак, что такое квантовое сцепление - предельно упрощенно и в двух словах.
Вспомним, для примера, нейтрино (именно нейтрино вспоминать необязательно - явление имеет место для любых частиц - но я только что о них писал, у меня под рукой поэтому имеется достаточно наглядная ссылка, а сам рассказ еще пригодится).
Итак, берем нейтрино и внимательно (с нейтрино в руках!) читаем предыдущие абзацы - и видим, что существует три сорта нейтрино, электронные, мюонные и таонные (e, μ и τ ), и в течение жизни нейтрино "осциллирует", то есть, каждое нейтрино существует в виде смеси этих типов. Когда нейтрино "поймано", то есть, когда оно вступает во взаимодействие, оно (нейтрино) "выбирает" одно чистое состояние (конкретный тип) и проявляется именно в нем. С той или иной вероятностью.
Теперь идем дальше. Представим для примера процесс, в котором рождается пара нейтрино и антинейтрино одного и того же типа (скажем, электронных). По законам сохранения число частиц одного типа во взаимодействии измениться не может. В нашем примере это число равно нулю, потому что если родилась пара электронных е-нейтрино, то соответствующее число для электронного нейтрино равно +1, а для е-антинейтрино оно равно -1, то есть суммарное количество рожденных во взаимодействии нейтрино электронного типа е считается нулевым (точно так же нулевым в нем является количество рожденных мюонных нейтрино μ и таонных τ, ибо они в этом процессе вообще не рождались).
Теперь рожденная пара начинает разлетаться в разные стороны. Каждый компонент пары представляет собой смесь трех типов нейтрино (осциллирует) - и это может длиться секунды, годы или миллиарды лет: до тех пор, пока один из компонентов не вступит во взаимодействие.
А теперь задумаемся. Законы сохранения продолжают действовать и секунды, и годы, и миллиарды лет. И если один из компонентов описанной пары, родившись, скажем, как е-нейтрино, вступит во взаимодействие как μ-нейтрино, закон сохранения не будет нарушенным только в том случае, если второй компонент окажется μ-антинейтрино. То есть, в момент, когда один из компонентов пары явно определит свое состояние, второй компонент пары тоже "окажется вынужденным" определить свое состояние. Причем подчеркну - в тот же момент, даже если обе частицы разделены километрами или парсеками.
Совершенно аналогичная ситуация имеет место не только с нейтрино, но и с любым ансамблем частиц, состояния которых связаны друг с другом какими-нибудь законами или правилами.
А теперь задумаемся еще раз. Если мы определили состояние одной частицы пары, и при этом состояние второй частицы пары, удаленной на немалое расстояние, тоже оказалось определенным, это означает, что "приказ", отправленный одной частицей в адрес второй и определяющий состояние второй частицы, был передан мгновенно. Через метры, километры и парсеки. И вот это явление, при котором частицы, рожденные в паре, "знают" состояние друг друга независимо от времени и взаимного удаления, именуется квантовой спутанностью, квантовым сцеплением или просто quantum entanglement.
Возникает вопрос, не нарушает ли квантовая спутанность теорию относительности, согласно которой никакое физическое взаимодействие (а также информация) не может передаваться быстрее скорости света.
Ответ: не нарушает. Квантовая спутанность не является физическим взаимодействием двух частиц. И информацию она передать, увы, не может: мы не можем с помощью квантовой спутанности мгновенно передать информацию по одной простой причине - мы не способны эту информацию определить. Состояние частиц от нас не зависит. Если, возвращаясь к приведенному примеру, первое нейтрино на наших глазах оказывается мюонным, мы знаем, что где-то в другом месте парное к нему антинейтрино тоже в этот момент становится мюонным - но выбрать за первое нейтрино, каким ему стать, мы не можем принципиально. Информация и у нас, и в точке нахождения второго нейтрино является строго случайной. (Условно говоря, выглядит это так: двум людям отдают запечатанные шкатулки, в которых находятся два одинаковых текста. Они расходятся на большое расстояние и один из них открывает шкатулку. В этот момент он узнает содержание текста, находящегося у другого. И все - передать информацию он не в состоянии).
Кстати, обратите внимание на своеобразный вывод - невозможность для наблюдателя произвольно изменять квантовомеханическое состояние наблюдаемой частицы (строго говоря, определять состояние волновой функции после коллапса) оказывается не только квантовомеханическим опытным феноменом, но и релятивистским теоретическим явлением. То есть, невозможность заранее определить состояние объекта при наблюдении в таком случае следует из теории относительности.
Зато с философской точки зрения явление квантовой спутанности является весьма интересным - оно заставляет задуматься о том, можно ли отдельную частицу считать объективно существующим объектом, или свойство объективного существования является атрибутом не частицы, а ансамбля частиц, в котором отдельная частица является лишь субъективно наблюдаемым проявлением.
Тем более, что недавние эксперименты весьма строго подтвердили, что то состояние, в котором ансамбль наблюдается, не зависит от исходного состояния и, соответственно, не является каким-либо образом заданным "изначально" (
https://arxiv.org/abs/1611.06985).
А потом можно подумать еще и о том, что любой ансамбль тоже является частью другого, большего ансамбля.
И вот так, потихоньку и помаленьку можно постепенно прийти к выводу, что единственным истинно существующим объектом является Вселенная в целом. А ее частные объекты не наделены "атрибутами истинного существования".
Кстати, все это является одной из основных причин, по которой лично я считаю, что в средневековом споре между номиналистами и реалистами в большей степени правыми оказались именно последние - реально существуют лишь универсалии (общие понятия), а их отдельные проявления (конкретные частицы в нашем случае) по сути не существуют, являясь лишь воспринимаемой нами частью общего целого.