Астрофизики предложили рассмотреть модель с массивным фотоном, в которой на галактических масштабах появляется новая сила. Это воздействие можно описать как «отрицательное давление», которое заставляет тела стремиться к центру, аналогично гравитации. Авторы применили данную идею к динамике Млечного Пути в надежде найти объяснение форме кривой вращения — зависимости скорости движения звезд от расстояния до центра галактики. Редакция обсудила предложенную теорию с доктором физико-математических наук, главным научным сотрудником Института ядерных исследования РАН Дмитрием Горбуновым.
Иногда физики-теоретики сталкиваются с ситуациями, когда для объяснения того или иного эффекта им может быть проще не вводить новые сущности, а пересмотреть фундаментальные представления о мире. Например, предположить, что гравитация может меняться со временем или что фотоны могут иметь массу. Одна из таких ситуаций — коллизия вокруг темной материи.
Известно, что скорости вращения галактик, точнее, зависимости скорости движения звезд от расстояния до центра, не соответствуют теоретическим предсказаниям. Скорость должна снижаться по мере приближения к краю диска, однако в реальности во многих случаях зависимости от расстояния практически нет: почти на любом удалении звезды, как правило, движутся примерно с одной скоростью. Обычно для объяснения этого факта физики используют представление о темной материи — гравитирующем невидимом веществе, распределенном в виде огромного гало вокруг каждой галактики.
Однако это решение не является единственным, существует масса альтернативных объяснений формы кривых вращения, не предполагающих введения новых видов материи, а изменяющих известные взаимодействия или вводящих новые. Именно с такой идеей выступили Дмитрий Будкер и его коллеги, которые предложили в своей работе, получившей широкую огласку в СМИ, рассмотреть модель с массивным фотоном.
С точки зрения современной физики свет — это связанные колебания электрического и магнитного полей, которые двигаются с предельной быстротой, то есть со скоростью света. В квантовой теории частицы света — фотоны — не имеют массы. Согласно полученным в новой статье результатам, если фотон будет иметь массу, то появится новое воздействие, которое можно описать как «отрицательное давление», заставляющее тела стремиться к центру, аналогично гравитации. Это позволяет иначе взглянуть на проблему кривых вращения.
Предпринятая группой Будкера попытка альтернативного объяснения достаточно радикальна, так как предполагает иной взгляд на давно изучаемые физикой процессы. В частности, согласно этой идее свет должен двигаться не со скоростью света, а с несколько меньшей, так как только безмассовые частицы могут достигать предельной быстроты перемещения. Для полноценного описания электромагнетизма в таком случае придется также модифицировать уравнения Максвелла. Тем не менее, авторы пишут, что требуемая для оказания обсуждаемого эффекта масса настолько мала, что ее невозможно непосредственно зафиксировать современными приборами, и, следовательно, во многих случаях отклонениями от стандартной физики можно пренебречь.
Мы обсудили предложенную теорию с доктором физико-математических наук, главным научным сотрудником Института ядерных исследований РАН, специалистом по теории поля Дмитрием Горбуновым.
: С точки зрения современной теории, фотон является безмассовым, но проверяют ли это экспериментально?
Дмитрий Горбунов: Есть прямые ограничения на массу фотона, полученные в лабораторных условиях, а есть ограничения непрямые. Например, если бы фотон имел массу, то по-другому бы эволюционировали звезды, охлаждались бы иначе. Или, например, в космосе происходит вспышка, от которой приходит сигнал в виде целого спектра частот. Если у фотона есть масса, то на некоторых частотах сигнал мог бы задерживаться или приходить искаженным.
Если бы у частиц света была масса, то они бы экранировали магнитное поле. В частности, в Галактике есть крупномасштабное магнитное поле. В целом мы ожидаем его обнаружить в каждой галактике и более или менее видим во всех случаях. Есть некоторые указания на то, что существуют еще более масштабные магнитные поля в скоплениях галактик, которые больше отдельных галактик раз в десять. Однако если бы у фотона была масса, то магнитные поля были бы экранированы, то есть на больших расстояниях их как бы не было, мы не смогли бы их заметить. Но мы их наблюдаем — вот отсюда тоже можно получить ограничение на массу фотона.
На самом деле есть целый ряд разнообразных экспериментальных фактов. Существует международное объединение физиков под названием Particle Data Group, которые занимаются систематизацией измерений параметров различных частиц и публикацией результатов. Если вы зайдете на их сайт, то в разделе про фотон отдельно представлены как прямые ограничения на массу, так и разнообразные астрофизические и космологические.
Экспериментальные ограничения на массу фотона
Для оценки массы фотона можно, например, использовать тот факт, что при ненулевой массе фотона дипольное магнитное поле в плазме порождает дополнительную силу, изменяющую ее концентрацию. В случае Солнечной системы этот эффект должен приводить к увеличению плотности солнечного ветра, поэтому наблюдения позволяют ограничить массу фотона. Именно этот метод Particle Data Group считает наиболее надежным. Согласно этим данным, масса фотона не может превышать 10-18 электронвольт. Наиболее легкие частицы из несомненно обладающих массой — это нейтрино. Тем не менее, по сравнению с фотоном они в любом случае очень тяжелы: по крайней мере два из трех типов этих частицы должны обладать массой, причем самое тяжелое весит как минимум 0,05, а другое — 0,009 электронвольт.
Получается, что массивный фотон не дальнодействующее взаимодействие переносит?
Он дальнодействует вплоть до величины, обратной своей массе. В этом смысле это взаимодействие экранируется на соответствующем радиусе, который определяется его массой. Если масса соответствует одному обратному сантиметру, значит взаимодействие будет ощущаться вплоть до расстояния в один сантиметр, если один обратный метр — то до одного метра.
Дальнодействие и масса частицы-переносчика
Обмен безмассовыми частицами-переносчиками может осуществляться на любое расстояние, поэтому такие взаимодействия называют дальнодействующими. Однако в случае массивных переносчиков это не так: рождение промежуточной частицы с массой должно согласовываться с законом сохранения энергии, для чего время между ее появлением и поглощением должно быть связано с энергией соотношением неопределенностей ΔE × Δt ⩾ ħ, где ħ — постоянная Планка. Следовательно, ограниченным оказывается время жизни частицы Δt ≈ ħ / ΔE = ħ / (m × c2), за которое она успеет пройти расстояние не больше l = c × Δt ≈ ħ / (m × c). Получается, что в качестве эффективного радиуса взаимодействия, обеспечиваемого обменом массивными частицами, можно взять величину λ = ħ / (m × c), которая называется комптоновской длиной волны. Например, для Z-бозона она составляет порядка 10-18 метров. В обсуждаемой работе для соответствия наблюдениям на галактическом масштабе комптоновская длина волны массивного фотона должна находиться в диапазоне от 0,04 до 2 парсек, что соответствует массе на 4-6 порядков меньше, чем текущие оценки, приводимые Particle Data Group.