СВЕРХСВЕТОВОЕ ТОРМОЖЕНИЕ

Тормоз для нейтрино

16 ноября стало известно, что коллаборация OPERA перепроверила результаты опыта, в котором были получены сверхсветовые нейтрино. Если помните, в сентябре поступили ошеломляющие сообщения о том, что 732 километра от источника в ЦЕРН до детектора в Гран Сассо (Италия) мюонные нейтрино пролетели на 60,7 наносекунд быстрее света. Физики коллаборации подчеркивали, что парадоксальный эксперимент прост, поэтому им ошибки найти не удалось и они будут благодарны за помощь.

Сентябрьская новость вызвала бурю эмоций и откликов в отличие от нынешнего сообщения, мало комментируемого в солидных источниках.

Разумеется, в научном сообществе она была принята критически, ибо сверхсветовая скорость рушит основы современной физики! Укрепить которые пока абсолютно нечем. Претензии в основном предъявлялись к погрешностям методики расчета времени (например, в связи с использованием для этого GPS, хотя в системе глобального позиционирования учтены все известные релятивистские поправки вплоть до эффекта Саньяка) и к особенностям формирования нейтринных пучков в ходе нейтронных распадов.

Даже от физиков, участвующих в ICARUS, другом эксперименте в Гран Сассо, и работающих с тем же пучком из ЦЕРНа, поступило заявление.

Мол, сверхсветовые нейтрино испускали бы фотоны и электрон-позитронные пары, и это излучение, аналогичное излучению Черенкова, сильно понижало бы их энергию, соответственно исказив спектр. Однако последний, по наблюдениям участников эксперимента ICARUS, полностью соответствовал спектру нейтрино, летящих со скоростью света. По их расчетам, превышение этой фундаментальной скорости, если уж оно имело место, должно быть на три порядка меньше, чем полученное коллегами из OPERA, и "сравнимо с нулем".

Гм. Вообще-то, летящие со скоростью света нейтрино также противоречат СТО, поскольку считается, что они частицы и обладают какой-то, пусть и малой массой, а скорость света относится, согласно уравнениям Максвелла, к электромагнитным полям. Но как бы то ни было, а руководители ЦЕРНа, американского Фермилаба и японского KEK - трех крупнейших центров физических исследований - заявили, что скептически относятся к результатам.

Видимо потому, что те не согласуются со специальной теорией относительности Эйнштейна. "Я стопроцентный скептик", - сказал руководитель Фермилаба Пьер Оддон. Ему вторит глава японской KEK Ацуто Судзуки, который ожидает, что, скорее всего, данные о сверхсветовой скорости нейтрино не подтвердятся. Гендиректор ЦЕРНа Рольф Хойер добавил, что к подобным заявлениям нужно относиться "очень, очень скептически" до тех пор, пока они не получат независимого подтверждения. Все три лаборатории будут участвовать в проверке результатов итальянских ученых. В частности, Оддон выразил надежду, что Фермилаб сможет представить свои результаты уже к маю 2012 года.

Два месяца, прошедших с момента публикации шокирующих данных, коллаборанты потратили на проверку данных, отбраковав около 5% из зарегистрированных детектором OPERA 16111 событий, которые учитывались при вычислении. Во-вторых, экспериментаторы заново рассмотрели известные источники погрешности и оценили их вклад в общую погрешность. В-третьих, они уточнили величину огромной - микросекундной - задержки инструментального характера, на фоне которой в опыте определяется наносекундная разность времён. После введения необходимых поправок опережение снизилось несущественно, до 57,8 нс. В-четвертых, в модифицированном варианте опыта протоны выводились на мишень импульсами длительностью всего в 3 нс, ширина интервалов между которыми равнялась 524 нс. Это позволило связать обнаруживаемые детектором нейтрино с конкретными импульсами, упростить схему расчёта и избавиться от тех ошибок, которые могла давать исходная методика. Работа в новом режиме шла с 22 октября по 6 ноября. За это время детектор зарегистрировал 35 событий, отбор прошли 20 из них, по ним и была рассчитана величина опережения 62,1 нс, которая хорошо согласуется с предыдущим значением.

Почему же реакция на новое сообщение не столь бурная, как в сентябре? Думаю, потому что критикам так и не удалось найти заметных изъянов в постановке опыта, хотя он даже проще (если не учитывать колоссальную разницу в масштабах и вложенных средствах!) знаменитого опыта Майкельсона, подтвердившего инвариантность скорости света. Теперь физикам остаётся лиш
ь дожидаться подтверждения (или опровержения) данных OPERA в родственном эксперименте MINOS. Представители этой коллаборации уже заявили, что спешат усовершенствовать используемую систему отсчёта и синхронизации времени и, возможно, завершат предварительную проверку результатов OPERA уже в начале следующего года.

Таким образом, кризис в физике (да что там, в физике - в основах мирозданья!) удалось отложить, но в том-то и дело, что внимательное знакомство с проектом MINOS не внушает оптимизма (хотя противники теории относительности как раз наоборот, могут злорадствовать). Погрустим немного и мы - по фермилабовскому Тэватрону. Второй в мире по мощности ускоритель остановлен 30 сентября 2011, после четверти века плодотворной работы. Главный инжектор больше не подает в его гигантское кольцо протоны и антипротоны для столкновений.

На разогрев революционных в свое время сверхпроводниковых магнитов от 4,8 кельвинов до нормальных температур ушла неделя, но отключать детекторы (для чего надо удалить охлаждающую жидкость - присмотритесь к карте, не зря каждое кольцо Фермилаб окружено круговым каналом) будут до конца декабря.

Поговаривают о новом ускорителе, однако денег в американской казне на него нет.

Но к делу. На карте Фермилаб, слева от большого кольца Тэватрона хорошо видно кольцо поменьше, это Главный инжекторный ускоритель, источник пучка мюонных нейтрино в эксперименте MINOS. Он формирует их импульсы длительностью в те же 10 мкс, правда реже, чем в OPERA. Нейтрино проходят 734 км и регистрируются датчиками Суданской (800 метров под землей) лаборатории в Миннесоте, неподалеку от канадской границы. Время измеряется с помощью GPS. Как видите, схема удивительно похожа на швейцарско-итальянскую. Тем более удивительно (или нет?), что были получены и схожие результаты - причем еще в 2007 году!

На сайте проекта можно найти ссылку на результаты эксперимента четырехлетней давности, которые научная общественность предпочла не заметить, ссылаясь на недостаточность массива измерений: P. Adamson et al. (MINOS), Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam, Phys. Rev. D76 (2007) 072005 Arxiv:0706.0437.

Каковы же эти результаты? После обработки 473 событий было установлено, что нейтрино… опережают свет на 126 наносекунд!
Что ж, подождем, пока его затормозят. Но даже в этом случае огромная польза от подобных экспериментов несомненна. Недаром Майкельсон свой знаменитый опыт повторял и совершенствовал до самой смерти, более сорока лет, несмотря на то, что к тому времени давно уже стало ясно, что никакого эфира нет и скорость света инвариантна. Зато построил в конце концов огромный интерферометр с базой в сотни метров (из водопроводных труб) и подтвердил существование того же эффекта Саньяка! Или взять одного из корреспондентов Валерия Лебедева, академика Евгения Александрова (смотри Ещё раз о постоянстве скорости света "Наука и жизнь" № 8, 2011), абсолютно уверенного в данном постоянстве, но посчитавшего почему-то нужным поставить в Курчатовском центре синхротронного излучения НИЦ КИ опыт, посвященный прямому его доказательству.

Надо, надо экспериментировать! От этого всегда есть польза. Сейчас, к примеру, может быть удастся усовершенствовать методику измерения малых времен. А то и возродить интерес к большой физике.

Фазовые зайчики

Ну а теперь о зайчиках. В недавней статье (Причина в нас самих, "Лебедь" 643, 11 октября 2011 г.) Валерий Лебедев пишет: "…вы можете вращать лазерную указку и зайчик от нее будет бегать по небосводу с любой скоростью.

Но это то явление, которое не передает сигнала, не несет информации. Так наз. фазовая скорость. Вымышленная, фиктивная, виртуальна. … Реальной же скоростью (передающий сигнал) является только так наз. групповая скорость.

Стрела, ракета, пучок электронов, луч света. …Любые эффекты и парадоксы типа парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена невозможно использовать для сверхсветовой передачи взаимодействия. Можно сказать, что ПП (принцип причинности) запрещает передачу информации со сверхсветовой скоростью".

Да, фундаментальная константа c, возникающая в преобразованиях Лоренца и численно совпадающая со скоростью света в вакууме, имеет смысл предельной скорости. Мы с детства знаем, какова максимальная скорость движения информации, материи и энергии, и университетские преподаватели физики любят подчеркнуть сей факт парадоксальными и оттого запоминающимися примерами - как вот Валерий Лебедев или доктор технических наук А.Голубев. Возможна ли сверхсветовая
скорость? (Наука и жизнь, № 2, 2001).

Голубев пишет: "…если взять фонарик (или, скажем, лазер, дающий узкий луч) и быстро описать им в воздухе дугу, то линейная скорость светового зайчика будет увеличиваться с расстоянием и на достаточно большом удалении превысит с. Световое пятно переместится между точками A и В со сверхсветовой скоростью, но это не будет передачей сигнала из А в B, так как такой световой зайчик не несёт никакой информации о точке А". Он также указывает, что точка пересечения лезвий ножниц может двигаться со сколь угодно большой скоростью, но из этого совершенно ничего не следует, ибо она нематериальна.

Гм. Надо сказать, что примеры красивы, но еще студентом мне казалось, что не столь уж они убедительны и не столько проясняют, сколько запутывают картину. Затем пришлось много преподавать, и я понял, что первое впечатление было верным. Пример должен быть либо абсолютно, кристально ясным, либо его непременно следует обставлять условиями. Вот это и это он, мол, наглядно объясняет, но вот то-то следует понимать совсем иначе - и тут уже можно привести следующий пример…
Так и с эйнштейновскими ножницами: все хорошо, пока нематериально, но стоит вложить между лезвиями бумагу - и появится вполне материальный разрез, сделанный со сверхсветовой скоростью!

На этой почве и завязалась у меня небольшая заочная (через Валерия Лебедева) дискуссия с академиком Александровым. Евгений Борисович написал: "Да, разрез, производимый ножницами на бумаге, будет продвигаться со сколь угодно большой скоростью. А если это не ножницы, а гильотина с параллельными лезвиями, то скорость распространения разреза будет бесконечной, (причём плюс-минус бесконечная!). Ну, и что? (Кстати говоря, этот пример с фазовой неограниченной скоростью перемещения точки касания лезвий ножниц придумал сам Эйнштейн)".

Как ну и что? Сам вид листа бумаги, разрезаемого со сверхсветовой скоростью, уже дает интереснейшую информацию. Эйнштейн, между нами говоря, придумал еще более наглядный пример: в его формуле E = Mc2 информации на первый взгляд также немного, она кодируется всего лишь несколькими десятками бит, но трудно найти образец более емкого сообщения! Как видите, с информацией надо быть аккуратнее, здесь все относительно. Пример же самого академика (гильотина с параллельными лезвиями) явно неудачен. В таком случае вопрос вообще теряет смысл, ибо исчезает движущаяся точка, а с ней и всякий интерес.

Вместо нее появляется зазор и ответ становится тривиальным: увы, никаких плюс-минус бесконечностей, а вполне конечная скорость прохождения ножами этого зазора или слоя материала, будь то бумага или лист проката.

Давайте, однако, еще раз изменим опыт и осветим щель между лезвиями ножниц, направив луч на экран - там появится светлый сектор. При резе его вершина будет двигаться со сколь угодно большой скоростью (не забудьте, это бесполезная фазовая скорость!) - появляется сходство с классическим примером с фонариком, не так ли? Что ж, погоняем зайчиков по небосводу, благо, китайцы продают все более мощные лазерные указки. Настолько мощные и компактные, что уже никакое не благо, хулиганы ими самолеты пытаются сбивать и на днях Госдума поддержала закон об уголовном наказании за лазерное хулиганство. Давно пора. Но мы все же похулиганим. И для наглядности мысленно соорудим что-нибудь на высокой орбите - кольцо вокруг Земли!

Можно бы развернуть и стабилизировать там люминесцентный экран-ленту, но проще распылить мелкодисперсный металлический или аэрозольный шлейф-кольцо радиусом 300 000 км - для удобства расчетов, чтобы луч лазерной указки долетал до него ровно за секунду. А теперь проведем им по кольцу, обведя его также за секунду. Мы увидим, как зайчик обежит круг, длина которого составит около 1,9 млн. км. Лучше, конечно, было бы взять не указку, а машину посолиднее и жаль, что 15 мая 1987 г. был утоплен аппарат "Полюс" (он же Скиф-ДМ, он же изделие 17Ф19ДМ) - динамический макет боевой орбитальной платформы с лазером в 1 мегаватт. Увы, тот неудачный пуск был первым и последним для гигантской ракеты "Энергия". Но речь именно об этом - если энергия луча будет достаточной, то в результате испарения микрочастиц или ионизации газа мы сможем наблюдать уже не фазовый зайчик, а тянущийся за ним след. Как быстро он будет продвигаться? В шесть с лишним раз быстрее скорости света!

Будет ли эта скорость вымышленной, виртуальной и не несущей информации?

Представьте себе наблюдателей летающей тарелки с Альдебарана, которые несут вахту на Луне, изучая рождение раннетехнологической земной цивилизации и набирая статистику для формулы Дрейка. На их глазах голубая планета почти мгновенно опояшется кольцом! Будет ли скорость его образования - вполне реального, физического кольца! - фиктивной? Не думаю. Получат ли альдебаранцы информацию? Несомненно. Им многое станет ясно. Да, от каждой точки свет дойдет до них со скоростью света (без тавтологий тут не обойтись), но само оно возникнет на экранах с большей скоростью. Если же взять орбиту повыше, радиусом в 3 млн. километров, то при той же скорости вращения указки эффект будет еще эффектнее: линия помчится в 60 раз быстрее света!

Нарисованный крупный ноль, слабый, едва заметный, но вполне регистрируемый вовсе не будет означать отсутствия переноса информации, не так ли? Но если ноля вам недостаточно, то можно, модулируя излучение (скажем, точками и тире), со сверхсветовой скоростью записать (как на лазерном диске) приветственное послание братьям-альдебаранам. Или даже изложение специальной теории относительности…
А можно сформировать огромное аэрозольное облако и так же быстро нарисовать на нем портрет Эйнштейна. Валерий Лебедев возражает - тогда уж лучше выставить в космос его гигантский портрет (Эйнштейна, а не Лебедева) и осветить. Мол, получим бесконечную скорость передачи информации! Что тут скажешь? Во-первых, технически это куда труднее сделать, даже в мысленном эксперименте. Во-вторых, такой переход на бесконечности уже показал свою бесплодность в примере академика Александрова с гильотинными ножницами.

Разумеется, наш эксперимент никоим образом не опровергает СТО! Здесь как бы нет передачи сигнала от источника (от нашего лазера) со сверхсветовой скоростью. Но разве не формирует этот луч новый источник? Разве не увидят альдебаранцы световую дорожку, бегущую вокруг Земли с "невозможной скоростью"? Разве их приборы не зафиксируют этого факта? Не буду спорить насчет переноса энергии, хотя любой прибор, в конце концов, фиксирует именно ее, но перенос информации налицо! Причем в больших количествах. И с очень большой скоростью.

В этом духе я попросил нашего секунданта ответить академику, но ответ Евгения Борисовича разочаровал. Он был не по существу: "…никакой информации от одной точки обегаемого зайчиком экрана к другой точке с помощью этого зайчика передать нельзя…", "Пусть он придумает, как передать сообщение от одной точки экрана в другую!" Позвольте, но меня совершенно не интересует вопрос отсутствия передачи информации от одной точки экрана к другой. Это и так понятно, см. эйнштейновскую СТО. Моя цель показать неудачность некоторых примеров и сравнений, которые, мало что объясняя, лишь запутывают вопрос и сами требуют разъяснений.

В примере с лазерной указкой интересен вопрос передачи информации не от точки к точке экрана, а от этих точек наблюдателям. Если мы увидим бегущую вокруг Земли или иной планеты светящуюся модулированную линию, замыкающуюся в кольцо, будет ли нас волновать второй постулат Эйнштейна? Нет, конечно, в механизме образования подобных линий нетрудно разобраться, пульсары такие круги рисуют по всей Вселенной. Но дело ведь не в механизме. А в информации. Во-первых, Земля не пульсар. Во-вторых, раньше таких кругов не было. В-третьих, модуляция. И, как ни крути указкой, а информация может записываться, а значит, читаться, а значит, передаваться - со сверхсветовой скоростью. Было бы кому принимать.