對光速的新修正可以解釋SN1987中微子的爆發

根據巴爾的摩-馬里蘭大學的詹姆斯·弗朗森的計算,當虛擬的正負電子對在空間中傳播時,引力對它們的影響可能會違背愛因斯坦的等效原理。雖然這種影響太小,當前的實驗技術無法直接測量,不過它可以解釋1987年著名的SN1987超新星爆發期間觀測到的一個令人困惑的異常現象。

對光速的新修正可以解釋SN1987中微子的爆發

在現代理論物理學中,四種基本力中的三種——電磁力、弱核力和強核力都是用量子力學進行描述的。而第四種力,重力,目前還沒有一個量子公式,現存的最好就是用愛因斯坦的廣義相對論來描述。因此,調和相對論和量子力學是物理學中一個重要而活躍的領域。

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對於理論物理學家來說,一個懸而未決的問題是引力如何作用於量子物體(比如光子)。天文觀測多次表明,光會受到引力場的吸引。傳統上這是用廣義相對論來描述的:引力場使得時空彎曲,當光透過彎曲區域時,它的速度會減慢(並略微偏轉)。在量子電動力學中,在空間中穿梭傳送的光子偶爾會與自身湮滅,產生一對虛擬的正負電子。

不久之後,電子和正電子重新結合形成光子。如果它們處於引力勢中,那麼在短時間內它們以大質量粒子的形式存在,它們就會受到引力的影響了。當它們重新結合時,它們會產生一個能量會發生輕微轉移的光子,速度會比沒有引力勢時略慢。

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無法協調的分歧

弗朗森仔細研究了這兩種解釋,解釋了為什麼光在穿過引力勢時會減速。他決定根據每種理論計算出光線應該減速多少,並期待著得到相同的答案。然而,他卻意外地發現:光速的預測變化並不一致,而且這種差異產生了一些非常奇怪的後果。

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弗朗森計算出,把光當作一個量子物體,光子速度的變化並不取決於引力場的強度,而是取決於引力勢本身。然而,這違背了愛因斯坦的等效原理——即重力和加速度是不可區分的——因為在引力場中,重力勢是和質量一起產生的,而在自由落體參照系中,並不是這樣。因此,人們可以透過光子在正反粒子對形成過程中針對是否減速來區分重力和加速度。

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一個重要的例子是光子和中微子在空間中的平行傳播。中微子不能湮滅產生正負電子電子對,因此光子在穿過重力場時會比中微子慢得多,這可能會讓中微子在該區域的速度比光還快。然而,如果這個問題拿到自由落體的引力場中觀察,光子和中微子都不會減速,所以光子的速度仍然比中微子快。

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兩個中微子脈衝?

雖然“物理學定律可以依賴於一個參照系”的觀點簡直是謬論,但它可以解釋1987年超新星SN1987a爆炸時觀測到的異常現象。中微子的初始脈衝在來自SN1987a的第一束光到達地球之前7。7小時被探測到了。緊隨其後的是第二次中微子脈衝,大約在超新星爆發前三小時到達。超新星預計會釋放出大量中微子,而第二次中微子爆發與光線到達之間的3小時間隔,與目前恆星坍縮形成超新星的理論相符。

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第一波中微子普遍被認為與超新星無關。然而,這種巧合的機率在統計學上是不太可能的。如果弗朗森的結果是正確的,那麼第一個中微子脈衝與光到達之間的7。7小時的間隔可以用銀河系的引力勢減慢光速來解釋。儘管這並不能解釋為什麼在發出光之前會有兩個中微子脈衝,不過弗朗森認為第二個脈衝可能與恆星的兩步坍縮有關。

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仍需懷疑

儘管如此,弗朗森還是持謹慎態度,他認為“我們有非常嚴肅的理由對此表示懷疑,該論文並沒有說明這種影響的真實性,只是說這是一種可能性。”他還對這一想法在不久的將來被證明或推翻表示悲觀,他說,另一顆超新星離我們如此之近的機率太低了,而其他可能的測試目前還沒有足夠的準確性來檢測這種影響。

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雷蒙德角的加州大學默塞德和弗朗森意見一致,根據觀察和實驗,“有很多問題需要澄清”最值得注意的是,如果弗朗森早期對於SN1987a的假設的解釋是正確的,有兩次明顯的間隔5個小時的中微子脈衝,但是幾乎沒有證據表明兩個相應的光脈衝。儘管如此,他說:“廣義相對論和量子力學之間的存在著根深蒂固的張力……如果,,事實上打比方弗朗森是正確的,在我看來這是一個相當巨大的進步:這算得上是驗證元素量子力學正確,廣義相對論錯誤的冰山一角,或者小貼士,誰都說不定呢。”

作者: Tim Wogan

FY: Swliop

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