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 N + 1 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.

N + 1: 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.

Кривые вращения галактик. По горизонтальной оси отложено расстояние от центра. Ожидалось, что скорость будет падать по мере удаления, но она оставалась постоянной и даже росла у некоторых галактик.


Авторы данной работы предлагают включить в рассмотрение уравнение Прока. Можно ли сказать, что такой массивный фотон аналогичен Z-бозону?

Можно сказать, что в определенном смысле аналогичен. Но в случае Z-бозона необходимо иметь в виду вот что: если вы рассматриваете рассеяние частиц с образованием Z-бозонов в ситуации, когда у вас энергия больше, чем масса Z-бозонов, то необходим хиггсовский механизм, чтобы сделать теорию, как говорят, унитарной, то есть чтобы вычисляемые вероятности были меньше единицы. Поэтому если вы хотите такую теорию с массивным фотоном рассмотреть в более широком контексте, то вам также понадобится некий механизм сокращения активного рождения таких частиц в ситуации, когда рассеяние происходит при энергиях больше их массы.

Уравнение Прока

Уравнение Прока — это обобщение уравнений Максвелла, которое позволяет описывать массивные частицы со спином 1. В Стандартной модели такими объектами являются векторные бозоны W и Z. Если рассмотреть уравнение Прока для случая безмассовой частицы, то оно переходит в уравнения Максвелла в вакууме.

С точки зрения теории поля, мог бы массивный фотон приобретать массу по механизму Хиггса?

Можно сделать и механизм Хиггса. На самом деле люди обсуждают в некотором смысле похожие идеи. Например, пусть у нас есть еще один другой фотон, у которого есть масса, обычно его называют темным фотоном. Эта масса обеспечивается механизмом Хиггса. В таком случае, если вы исследуете их рождение, то не задумываетесь о таком катастрофическом росте излучения, потому что есть хиггсовские частицы, которые все регуляризуют и этого роста нет. Тогда происходит излучение только поперечных мод, как у обычных фотонов: у них поляризация бывает круговая, влево или вправо. И вы только поперечные моды рассматриваете, так как они основные.

В то же время проблемы возникают обычно с продольными модами, если говорить об унитарности. Вот с этими модами должен что-то делать хиггсовский механизм. Но, как правило, люди говорят: мы знаем, что должен быть данный механизм, который регуляризует рождение частиц, но нам сейчас детали не важны, нам интересно исследовать другие эффекты.

Если такие массивные частицы сами по себе, свободные, то это никого не беспокоит. Но если они начинают участвовать во взаимодействии, — а, конечно, интересно, чтобы они участвовали во взаимодействии, чтобы их родить, зарегистрировать и так далее — то тогда возникают такие проблемы. Поэтому теорию надо соответствующим образом модифицировать.

Можно ли сказать, что модификации электродинамики являются активным направлением теоретической физики или это удел какой-то небольшой группы исследователей?

В таком контексте, как в данном случае про массу фотона, модификации уравнения Максвелла — это редкая вещь. Например, есть такая задача, когда обсуждают электродинамику и гравитацию, то есть ситуацию наличия одновременно больших электрических и гравитационных полей. В таком случае есть некоторые специфические решения уравнений. Можно сказать, что они несколько математические, потому что подобные условия в реальном мире редко где можно найти. Может быть, электродинамика модифицируется на планковских масштабах...

Но здесь другое, так как авторам хочется модифицировать ее на больших расстояниях. В такой постановке мотивация не очень понятна. Это редкое направление.

Считаете ли вы их мотивацию и доказательную базу сомнительными или достойными внимания?

Насколько я понял, у них не получилось в полной мере то, что они хотели. Они хотели придумать модель с массивным фотоном, в которой из-за наличия магнитного поля в Галактике появляются некие дополнительные силы. Эти силы в некотором смысле действуют аналогично гравитации. Однако если это электромагнитная сила, то она действует только на электрически взаимодействующие частицы, то есть, например, на горячий ионизованный газ. А, например, на звезды, которые в целом электрически нейтральны, действие должно быть весьма слабым.

В их модели массивные короткоживущие звезды ощущают дополнительную силу, потому что рождены в движущемся газе, а маломассивные звезды от этой динамики оказываются отделены и двигаются только в гравитационном потенциале.

Дело в том, что у нас накоплено много наблюдений за различными галактиками и звездами. С одной стороны, объяснение через темную материю позволяет единообразно все описать. С другой стороны, в Млечном Пути есть области активного звездообразования: там облака горячего газа, для которых подобный эффект может быть значим. А есть области, где звездообразование не идет, нет таких облаков газа, не на что подобным образом воздействовать. Когда-то в этих регионах был газ, но сейчас его нет, а наблюдаем мы их в данный момент, поэтому и объяснять необходимо текущую динамику. Есть еще облака нейтрального газа, которые расположены далеко, но их движение также необходимо описать. На них подобная сила тоже не должна оказывать влияния, ведь даже если какое-то электромагнитное воздействие происходит за счет диполя, то лишь очень слабенькое. При этом все эти компоненты двигаются согласованно, как будто на них действует универсальная сила, которой, как и гравитации, подчиняется все. Поэтому мне кажется, что эта идея нереалистична.

Темная материя отвечает не только за плоскую кривую вращения. Можно ли ухищрениями вроде модификации уравнений Максвелла объяснить все ее наблюдательные проявления?

Нет, конечно, но мы это и не обсуждаем, потому что там очень много всего. В этом смысле стандартные модели, такие как слабо взаимодействующие массивные частицы, удовлетворяют множеству разнообразных выдвигаемых к темной материи требований, а данная модель — нет. Поэтому про это говорить я бы не стал.

Есть ругаемая многими теория MOND — модифицированная ньютоновская динамика. Ее сторонники выдвигают гипотезу, что при очень маленьких абсолютных ускорениях порядка 10-10 сантиметров на секунду в квадрате меняется второй закон Ньютона. В школе было F = ma, а в MOND рассматривается пропорциональность a2 для ускорений значительно меньше некоторого порогового значения.

В рамках такого подхода удается описывать кривые вращения множества галактик. То есть MOND, в отличие от обсуждаемой модели, способен объяснить наблюдательные факты. Другое дело, что получается это не во всех галактиках, но есть и множество удачных примеров. Поэтому MOND можно назвать популярной моделью: на эту тему есть статьи, конференции, есть ученые, которые этим занимаются.

Тем не менее, темная материя — это более стандартный взгляд на данную проблему, и MOND не претендует, что он объясняет что-то еще, помимо кривых вращения. И все-таки MOND — куда более развитая и легитимная теория, чем то, что представлено в этой работе.

То есть вы стали бы доверять выводам такой концепции еще меньше, чем результатам в рамках MOND?

Да. Но хочу еще раз отметить: поскольку в рамках их модели не удалось полностью объяснить кривые вращения галактик, то и вопрос о том, доверять им или не доверять, сам собой снимается. Это обычное для науки явление: одна группа ученых предложила некую идею, другие ученые подвергли ее изучению и проверке, но в результате оказалось, что идея не работает. В данном случае сами авторы свою идею же и проверили, и сами говорят, что она не работает. Вопрос закрыт (возможно, пока не появятся новые идеи).


Беседовал Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.