Астрофізики запропонували розглянути модель з масивним фотоном, в якій на галактичних масштабах з'являється нова сила. Цей вплив можна описати як «негативний тиск», який змушує тіла прагнути до центру, аналогічно гравітації. Автори застосували цю ідею до динаміки Чумацького Шляху в надії знайти пояснення формі кривої обертання - залежності швидкості руху зірок від відстані до центру галактики. Редакція обговорила запропоновану теорію з доктором фізико-математичних наук, головним науковим співробітником Інституту ядерних досліджень РАН Дмитром Горбуновим.
Іноді фізики-теоретики стикаються з ситуаціями, коли для пояснення того чи іншого ефекту їм може бути простіше не вводити нові сутності, а переглянути фундаментальні уявлення про світ. Наприклад, припустити, що гравітація може змінюватися з часом або що фотони можуть мати масу. Одна з таких ситуацій - колізія навколо темної матерії.
Відомо, що швидкості обертання галактик, точніше, залежності швидкості руху зірок від відстані до центру, не відповідають теоретичним передбаченням. Швидкість повинна знижуватися в міру наближення до краю диска, проте в реальності в багатьох випадках залежності від відстані практично немає: майже на будь-якому видаленні зірки, як правило, рухаються приблизно з однією швидкістю. Зазвичай для пояснення цього факту фізики використовують уявлення про темну матерію - гравітуючу невидиму речовину, розподілену у вигляді величезного гало навколо кожної галактики.
Однак це рішення не є єдиним, існує маса альтернативних пояснень форми кривих обертання, які не передбачають введення нових видів матерії, а змінюють відомі взаємодії або вводять нові. Саме з такою ідеєю виступили Дмитро Будкер і його колеги, які запропонували у своїй роботі, що набула широкого розголосу в ЗМІ, розглянути модель з масивним фотоном.
З точки зору сучасної фізики світло - це пов'язані коливання електричного і магнітного полів, які рухаються з граничною швидкістю, тобто зі швидкістю світла. У квантовій теорії частинки світла - фотони - не мають маси. Згідно з отриманими в новій статті результатами, якщо фотон буде мати масу, то з'явиться новий вплив, який можна описати як «негативний тиск», що змушує тіла прагнути до центру, аналогічно гравітації. Це дозволяє інакше подивитися на проблему кривих обертань.
Зроблена групою Будкера спроба альтернативного пояснення досить радикальна, так як передбачає інший погляд на процеси, що давно вивчаються фізикою. Зокрема, згідно з цією ідеєю світло має рухатися не зі швидкістю світла, а з дещо меншою, оскільки тільки безмасові частинки можуть досягати граничної швидкості переміщення. Для повноцінного опису електромагнетизму в такому випадку доведеться також модифікувати рівняння Максвелла. Тим не менш, автори пишуть, що необхідна для надання обговорюваного ефекту маса настільки мала, що її неможливо безпосередньо зафіксувати сучасними приладами, і, отже, у багатьох випадках відхиленнями від стандартної фізики можна знехтувати.
Ми обговорили запропоновану теорію з доктором фізико-математичних наук, головним науковим співробітником Інституту ядерних досліджень РАН, фахівцем з теорії поля Дмитром Горбуновим.
: З точки зору сучасної теорії, фотон є безмасовим, але чи перевіряють це експериментально?
Дмитро Горбунов: Є прямі обмеження на масу фотона, отримані в лабораторних умовах, а є обмеження непрямі. Наприклад, якби фотон мав масу, то по-іншому б еволюціонували зірки, охолоджувалися б інакше. Або, наприклад, у космосі відбувається спалах, від якого приходить сигнал у вигляді цілого спектру частот. Якщо у фотона є маса, то на деяких частотах сигнал міг би затримуватися або приходити спотвореним.
Якби у частинок світу була маса, то вони б екранували магнітне поле. Зокрема, в Галактиці є великомасштабне магнітне поле. Загалом ми очікуємо його виявити в кожній галактиці і більш-менш бачимо у всіх випадках. Є деякі вказівки на те, що існують ще більш масштабні магнітні поля в скупченнях галактик, які більше окремих галактик раз на десять. Однак якби у фотона була маса, то магнітні поля були б екрановані, тобто на великих відстанях їх як би не було, ми не змогли б їх помітити. Але ми їх спостерігаємо - ось звідси теж можна отримати обмеження на масу фотона.
Насправді є цілий ряд різноманітних експериментальних фактів. Існує міжнародне об'єднання фізиків під назвою Particle Data Group, які займаються систематизацією вимірювань параметрів різних частинок і публікацією результатів. Якщо ви зайдете на їх сайт, то в розділі про фотон окремо представлені як прямі обмеження на масу, так і різноманітні астрофізичні і космологічні.
Експериментальні обмеження на масу фотона
Для оцінки маси фотона можна, наприклад, використовувати той факт, що при ненульовій масі фотона дипольне магнітне поле в плазмі породжує додаткову силу, що змінює її концентрацію. У разі Сонячної системи цей ефект повинен призводити до збільшення щільності сонячного вітру, тому спостереження дозволяють обмежити масу фотона. Саме цей метод Particle Data Group вважає найбільш надійним. Згідно з цими даними, маса фотона не може перевищувати 10-18 електронвольт. Найбільш легкі частинки з масою, що безсумнівно володіють, - це нейтрино. Тим не менш, порівняно з фотоном вони в будь-якому випадку дуже важкі: принаймні два з трьох типів цих частинки повинні мати масу, причому найважче важить як мінімум 0,05, а інше - 0,009 електронвольт.
Виходить, що масивний фотон не далекодіюча взаємодія переносить?
Він далекодіє аж до величини, зворотній своїй масі. У цьому сенсі ця взаємодія екранирується на відповідному радіусі, який визначається його масою. Якщо маса відповідає одному зворотному сантиметру, значить взаємодія буде відчуватися аж до відстані в один сантиметр, якщо один зворотний метр - то до одного метра.
Далекодіяльність і маса частинки-переносника
Обмін безмасовими частинками-переносниками може здійснюватися на будь-яку відстань, тому такі взаємодії називають далекодіючими. Однак у разі масивних переносників це не так: народження проміжної частинки з масою має узгоджуватися з законом збереження енергії, для чого час між її появою і поглинанням має бути пов'язаний з енергією співвідношенням невизначеностей ⩾ ħ, де ħ - постійна Планка. Отже, обмеженим виявляється час життя частинки ħ/ ħ E = ħ/( m ст.1c2), за яке вона встигне пройти відстань не більше l = c ″. Виходить, що в якості ефективного радіусу взаємодії, що забезпечується обміном масивними частинками, можна взяти величину ^ = ħ/( m ст.1c), яка називається комптонівською довжиною хвилі. Наприклад, для Z-бозона вона становить близько 10-18 метрів. В обговорюваній роботі для відповідності спостереженням на галактичному масштабі комптонівська довжина хвилі масивного фотона повинна знаходитися в діапазоні від 0,04 до 2 парсек, що відповідає масі на 4-6 порядків менше, ніж поточні оцінки, що наводяться Particle Data Group.