(Философско-методический анализ нейтринного эксперимента)

 

Прежде чем ответить на поставленный в заголовке данной заметки вопрос, надо несколько уточнить его формулировку. Относительно реальности микрообъектов, именуемых нейтрино, никаких сомнений не возникает. Нейтрино относятся, наряду с электронами,  к классу фермионов; физики изучают их взаимодействия с другими микрообъектами. Установлено, что среди известных видов взаимодействий − электромагнитных, сильных (ядерных), слабых и гравитационных – нейтрино участвуют в слабых взаимодействиях. Но в чём же тогда суть постановки вопроса о реальности сверхсветовых нейтрино? Речь идёт о физическом эксперименте, который указывает на то обстоятельство, что нейтрино движутся со скоростью, превышающую скорость распространения света в вакууме. Вот этот физический эффект мы и обозначаем для краткости словами «сверхсветовые нейтрино». Читатель может спросить: а что тут такого особенного, что могло бы привлечь  внимание к этой проблеме представителей философского сообщества? Дело в том, что, исходя из философских соображений, на сверхсветовые движения физических объектов был наложен запрет, своего рада табу, нарушение которого было чревато неприятностями для тех физиков, которые могли бы поставить его под сомнение. Запрет этот обычно связывают со специальной теорией относительности (СТО), с закономерностями движений, установленными в релятивистской физике. Но является ли он следствием релятивистских закономерностей движения как таковых? Помедлим пока с ответом и изложим  вкратце  сведения о самом «сенсационном» эксперименте. Вот сообщение:

«Итальянские учёные обнаружили, что нейтрино могут двигаться быстрее света. В ходе эксперимента, названного OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), в котором итальянский детектор принимал нейтрино, приходящие из ускорителя в Европейском центре ядерных исследований (CERN, Швейцария), обнаружилось: нейтрино проходили расстояние в 730 км на 60 наносекунд быстрее, чем дозволяется скоростью света». Это сообщение было опубликовано 23 сентября 2011 года. Поскольку возникли сомнения в измерительной точности эксперимента, итальянские учёные провели его повторно, после чего сомнений в открытии сверхсветового эффекта, кажется, ни у кого не осталось. Однако остаётся пока вопрос о его интерпретации.

Этот вопрос  напрямую связан с другим вопросом: как и почему возник релятивистский запрет и как он  мог бы быть устранённым в  квантовой физике, точнее, в релятивистском варианте квантовой физики. Как хорошо известно из истории развития современной физики, СТО была создана трудами А. Пуанкаре, Х. Лоренца и Г. Минковского. Однако чаще всего её соотносят с именем А. Эйнштейна, исходя из специфики той интерпретации, которую придал ей Эйнштейн. Согласно Эйнштейну, скорость распространения света в вакууме является предельной скоростью, и никакие физические объекты не могут двигаться со скоростью, её превышающей. Как разъясняет эту позицию А.С. Эддингтон, частица материи, понимаемая как совокупность событий в четырёхмерном пространстве-времени Минковского, является системой, у которой линейное протяжение обладает временным характером. «Мы, − писал  Эддингтон,− можем, пожалуй, представить себе  аналогичную  систему, простирающуюся вдоль пространственного пути (т.е. выходящую за рамки светового конуса. – Л.А.). Это соответствовало  бы представлению частицы, движущейся со скоростью, большей скорости света; но так  как её строение существенно отличалось бы от той материи, которая нам известна, то нет оснований думать, что мы могли бы её обнаружить как частицу материи,  даже если бы её существование было возможно» (А.С. Эддингтон. Теория относительности. Л.−М.: Гостехиздат, 1934, с.45).

Эддингтону, кажется, и в голову не могла придти мысль, что в состоянии сверхсветового движения может находиться обычный электрон, а не какие-то воображаемые частицы, которые невозможно обнаружить. А мысль простая: поскольку электрон есть квантовый объект, то он, в силу своих квантовых свойств, может перескочить световой барьер, что и было теоретически показано, о чём будет сказано ниже. Автор книги «Естественная теория времени» Дж. Уитроу отчасти подверг сомнению аргументы Эддингтона, но выставил другое возражение против допущения о существовании сверхсветовых движений. Он, в частности, писал: «Внутренняя непротиворечивость теории относительности существенно основана на том, что невозможна передача сигнала со скоростью, превышающей с. Приписывание скоростей с псевдочастицам  не должно нарушать этого принципа при условии, что невозможно использовать их в целях передачи сигналов между агрегатами обычной материи» (Дж. Уитроу. Естественная философия времени. М.: «Прогресс», 1964, с. 391). Но это возражение падает в свете квантовой теории информации.

Дело в том, что опыты, направленные на изучение процесса передачи квантовой информации от одной квантовой системы к другой, показывают, что собственно квантовая информация передаётся  мгновенно, другое дело, что для её расшифровки требуется использовать классический канал связи (см. об этом в кн.: Физика квантовой информации: квантовая криптография, квантовая телепортация, квантовые вычисления. М.: Постмаркет, 2002). Подробнее об этом у нас здесь нет возможности рассуждать, поскольку требуется оставить место для изложения сути теоретического предсказания о существовании движений со сверхсветовыми скоростями.

Теоретический вывод о сверхсветовых процессах следует из полного решения квантово-релятивистского уравнения Дирака, описывающего свободное движение электронов. Такое решение было найдено автором данной заметки (см. статьи: Л.Г. Антипенко. К вопросу о частном и  общем решениях квантово-релятивистского уравнения Дирака и их интерпретации // 100 лет квантовой теории. М., 2002; Л.Г. Антипенко. Проблема физико-математического описания двойственной структуры времени // Философия математики: актуальные проблемы. М.: МАКС Пресс, 2009, с.192-192). Чем отличается неполное решение, данное самим Дираком, от полного решения? Отличие заключается в следующем. И в одном, и в другом решении величина, имеющая размерность скорости, представлена как  скорость света с.  Дирак  должен был объяснить, каким образом здесь фигурирует скорость света, если электрон не может двигаться с такой скоростью. Его искусственно построенное объяснение не удовлетворило остальных физиков. (См. замечание В.А. Фока в книге: П.А.М. Дирак. Принципы квантовой механики. М.: Физматгиз, 1960, с 362). Как видно, требовалось понимание того, что, во-первых, величина с фигурирует в результатах решения как средне-квадратичная величина от «групповой» и фазовой скоростей электрона, и во-вторых, что с представляет собой двухсторонний предел для досветового и сверхсветового движений электрона.

Коротко говоря, состояние свободного движения электрона распадается на два ингредиента: состояние движения с v<c и состояние движения с v>c. Каждому из этих двух ингредиентных состояний движения соответствует своя амплитуда вероятности, так что эмпирически наблюдаемая скорость есть средняя величина, рассчитываемая в зависимости от соответствующих амплитуд вероятности, как это обычно и делается в квантовой механике. В зависимости от условий эксперимента и сорта частицы может превалировать или та, или другая амплитуда вероятности.

Обратим теперь свой взор к нейтрино. Когда были открыты эти частицы, физики полагали, что их собственная масса (масса покоя) равна нулю, отчего и скорость их движения должна была бы совпадать со скоростью движения фотонов. Когда же было обнаружено, что они не безмассовые, было принято считать, по умолчанию, что они не могут двигаться со скоростью, равной скорости света или превышающей её. Теперь мы видим совершенно другую картину, которая, похоже, радикально изменит сложившееся представление о физической картине мира. 

Примечание

Английский физик Р. Пенроуз тоже дал полное решение уравнения Дирака. Но он не осмелился  объявить об эффекте сверхсветового движения фермионов. Вместо этого он предложил модель «зигзаг-представления электрона». Электрон (или другую массивную частицу со спином  ½), разъясняет свою модель Пенроуз, можно рассматривать как осциллирующую в пространстве-времени между безмассовой частицей «зиг» с левой спиральностью и безмассовой частицей «заг» с правой спиральностью. Поэтому описание движения электрона следует понимать как качания взад-вперёд, при которых «зиг» непрерывно превращается в «заг» и наоборот. «Реальное движение слагается из большого (фактически бесконечно большого) числа таких отдельных процессов, так что наблюдаемое движение электрона можно рассматривать как результат некоторого их «усреднения» (хотя, строго говоря, здесь имеет место квантовая суперпозиция») (Роджер Пенроуз. Путь к реальности или законы, управляющие Вселенной. Москва – Ижевск, 2007, с. 533). 

Нельзя не согласиться с Пенроузом, что при движении электрона имеет место квантовая суперпозиция двух состояний движения. Вопрос только в том, как их понимать.