I na Oslovi vyšel článek „Je rychlost světla nižší, než jsme si mysleli?“, který vychází z popularizačního článku Boba Yirka. Podobně jsou převyprávěním tohoto článku i další příspěvky publikované na řadě českých a slovenských serverů zabývajících se popularizací vědy (například zde, zde a zde) . Problém je, že už originální článek není povedený a je psán s cílem vyvolat dojem senzace a ne umožnit čtenáři se v tématu orientovat a porozumět problému. Autoři, kteří jej pak převyprávějí, sice uvedou jako zdroj i původní vědeckou publikaci J.D. Fransona, ale je jasné, že se na ni zřejmě ani nepodívali. Vzniká tak něco, co nemá s realitou téměř nic společného. Podívejme se tedy, jaká je realita hypotézy J.D. Fransona.
Jak a jaká neutrina při výbuchu supernovy vznikají?
Nejdříve se podívejme, kde se neutrina při výbuchu berou. Neutrina vznikají v případě, že je supernova projevem kolapsu nitra staré velmi hmotné hvězdy. Nevznikají tedy v případě supernovy typu Ia, kdy se jedná o explozi a rozmetání bílého trpaslíka ve dvojhvězdě. V případě kolapsu staré velmi hmotné hvězdy vznikají dva neutrinové záblesky. První je velmi krátký v řádu milisekund (okolo deseti) a způsoben přeměnou protonů a elektronů na neutrony v průběhu vzniku protoneutronové hvězdy. Vznikají tak pouze elektronová neutrina. Další, mnohem intenzivnější emise je založena na tepelné produkci párů neutrina a antineutrina a probíhá při chladnutí protoneutronové hvězdy. Při ní se vyzařují všechny typy neutrin a antineutrin. Energie maxima emise se liší pro různé typy, ale leží mezi energiemi 10 až 30 MeV. Tato emise trvá několik sekund, viz obrázek. Více než polovina těchto neutrin se emituje během první sekundy a okolo 90 % do tří sekund, časový chvost se pak táhne až do deseti sekund. V každém případě však trvá neutrinový puls řádově pouze sekundy. Krátký časový interval vyzáření neutrin je dán i tím, že neutrina jen velmi slabě interagují a nezdrží se při průchodu hmotou okolo kolabující hvězdy.
Jak je to se světelným zábleskem?
Naopak foton interaguje elektromagnetickou interakcí a při prodírání se hustými vrstvami hmoty, které obklopují kolabující hvězdu, jsou fotony pohlcovány a znovu vyzařovány. Proto je zjasňování objektu a pozorovatelný světelný záblesk oproti záblesku neutrinovému zpožděn o několik hodin. Zároveň probíhá zjasňování řadu hodin a následný pokles řadu dní a jeho počátek získáváme extrapolací z později provedených pozorování, takže přesnost určení reálného počátku světelného zjasňování supernovy je také v řádu hodin. Podrobně o tom, jak vznikají neutrina v supernovách a jak se detekují, je zde, zde, zde a zde.
Pozorování supernovy SN1987A
Supernova SN1987A patří k těm nejbližším, které byly v poslední době pozorovány. Nevybuchla sice v naši Galaxii, ale v jejím souputníku – Velkém Magellanově oblaku, což je v daném kontextu velmi blízko. Díky šťastné souhře náhod je první a také jediná, u které byla pozorována kromě elektromagnetického záření i neutrina. V té době totiž už, i když relativně krátce, fungovaly první velké detektory neutrin. U detektorů Kamiokande II (zaznamenal 11 antineutrin), IMB (8 antineutrin) a Baksan (5 antineutrin) je velmi dobrá shoda v čase příletu neutrin. Jejich detekce předcházela začátek světelného zjasňování zhruba o tři hodiny, což je ve velmi dobré shodě s modely výbuchu supernov. Od nich se odlišuje záznam z detektoru tvořeného kapalným scintilátorem, který byl v tunelu pod horou Mont Blanc. Ten zachytil 5 antineutrin, ale o zhruba 4,4 hodiny dříve než ostatní detektory.
Detektor LVD pod Mont Blancem patřil spolu s tím v Baksanu, který byl také scintilační, k těm méně citlivým z popsané čtveřice. Podle vypočtených odhadů by měl zaznamenat z této supernovy pouze 1 neutrino, což už je pod hranicí citlivosti a možnosti identifikace záblesku. Navíc u něj byly s časováním problémy. Pokud bychom předpokládali, že je jeho pozorování v pořádku, musely by proběhnout dva neutrinové záblesky. Bylo by však značně těžké vysvětlit, proč druhý záblesk pozorovaly všechny tři ostatní detektory. A proč první záblesk pozoroval pouze detektor pod Mont Blancem, který naopak nepozoroval záblesk druhý. Připomínám, že detektor pod Mont Blancem pozoroval pět neutrin. Byl navíc skoro o řád méně citlivý než detektory Kamiokande II a IMB. I to je důvod, proč se jako nejpravděpodobnější vysvětlení uvažuje, že jde v případě jeho pozorování o nějakou experimentální chybu nebo statistickou fluktuaci. Nepozorování skutečného záblesku neutrin detektorem neutrin pod Mont Blancem lze pak prostě vysvětlit tím, že byl na hranici citlivosti detektoru.
Je skutečností, že zmíněné nejpravděpodobnější a nejjednodušší vysvětlení popsaného rozporu pozorování detektoru pod Mont Blancem nemusí být jediné. A rozhodně není tak atraktivní, jako jiné i velice exotické hypotézy. Zároveň vědci, kteří rozpracovávají různé i velice exotické a nepravděpodobné hypotézy rádi použijí možnost, že by pomocí ní mohli vysvětlit nějaké pozorování. Proto už byly předkládány hypotézy, že výbuch supernovy proběhl ve dvou etapách. První byl kolaps do neutronové hvězdy a teprve po několika hodinách proběhl kolaps neutronové hvězdy do černé díry či její přeměna na podivnou (kvarkovou) hvězdu. K těmto exotickým hypotézám, které se pro svoji obhajobu snaží vrátit do hry pozorování detektoru pod Mont Blancem, patří i hypotéza J. D. Fransona. Je však třeba poznamenat, že žádná z nich nevysvětlí základní problém, který se objevuje za předpokladu reálnosti pozorování detektoru pod Mont Blancem. Tedy, proč první záblesk pozoroval pouze tento detektor, který patřil k těm méně citlivým. A proč naopak tento detektor neviděl druhý záblesk. Považovat tak pozorování supernovy SN1987A za takové, které může něco relevantního říci k hypotéze J. D. Fransona, je jemně řečeno na vodě.
Hypotéza J. D. Fransona
Podívejme se na hypotézu J. D. Fransona. Ta předpokládá, že pohyb světla je ovlivněn gravitačním polem nejen způsobem popsaným obecnou teorií relativity, ale také kvantovými vlastnostmi vakua. Je třeba zdůraznit, že Einsteinova teorie relativity (ani speciální a ani obecná) nepředpovídají velikost rychlosti světla. To se zdají naznačovat některé zmíněné populární příspěvky. Jde o fundamentální konstantu, jejíž velikost je třeba změřit. V současné době je její hodnota pevně dána, což souvisí s tím, že jednotka délky metr je definována pomocí jednotky času a této konstanty. To, co říká speciální teorie relativity, je, že rychlost světla ve vakuu je hraniční rychlostí. Obecná teorie relativity pak popisuje, po jaké dráze se bude světlo pohybovat v gravitačním poli a jak budou gravitačním polem ovlivněny jeho vlastnosti.
J. D. Franson vezme kvantovou elektrodynamiku a předkládá hypotézu, jak bude dodatečně ovlivněn pohyb světla v gravitačním potenciálu v případě, že budeme uvažovat kvantové vlastnosti vakua (podrobný populární popis zde). Při tomto popisu světlo není tak jednoduché a při jeho pohybu dochází k tomu, že se foton přeměňuje na virtuální pár elektronu a pozitronu a ten následně anihiluje do původního fotonu. V případě, že foton a virtuální pár prolétají místy, kde je gravitační potenciál, mají virtuální částice podle této hypotézy gravitační potenciální energii, jako klasické částice. To by mělo vést k tomu, že dochází ke zmenšení rychlosti světla. Velikost zmenšení závisí na gravitačním potenciálu a interakční konstantě elektromagnetické interakce. V jednoduchém modelu, který J. D. Franson používá, a předpokladu o gravitačním potenciálu v Galaxii v místech, kudy se světlo ze supernovy SN1987A pohybovalo, mu vychází prodloužení doby letu o několik hodin. Na neutrina, která interagují pouze slabou interakcí, má tento efekt zanedbatelný vliv.
Je tedy třeba zdůraznit, že popsaný vliv se projevuje jen v případě gravitačního pole a navíc takovým způsobem, že ovlivní měření na kosmologické vzdálenosti a to ještě právě v závislosti na hodnotách gravitačního potenciálu v místech, kudy prolétá. Nejde tak o gravitační interakci mezi dvěma virtuálními částicemi, jak naznačují některé ze zmíněných popularizačních příspěvků. Takže pro srovnání vlivu na rychlost světla lze uvést údaje z článku J. D. Fransona. Relativní změna rychlosti daná gravitačním potenciálem Země je -6,6∙10-13 (tedy stomiliardtiny procenta), Slunce -1,01∙10-11 (miliardtina procenta) a Galaxie -4,3∙10-9 (desetimiliontiny procenta). Záporné znaménko ukazuje, že jde o snížení rychlosti oproti rychlosti světla ve vakuu bez vlivu gravitačního pole. I z těchto čísel je vidět, že je vliv jevu na rychlost světla velice malý a i pro vzdálenosti v řádu rozměrů galaxií jen těžko zjistitelný.
Už sám J. D. Franson zdůrazňuje, že jeho jednoduchý model narušuje kalibrační symetrii a je v rozporu s výsledky, které se dostanou podobným přístupem s využitím mnohem obecnější Diracovy rovnice. To naznačuje, že je do značné míry nefyzikální a jsou v něm obsaženy zásadní problémy. Jde zatím pouze o určité hraní s možnými způsoby zavedení kvantových vlastností do gravitačních teorií. Určení, do jaké míry mají alespoň něco společného s realitou, bude ještě dost dlouho trvat. A může se ukázat, že nemají společného nic. V každém případě by ani potvrzení, že nějaká pokročilejší varianta Fransonova modelu bude popisovat reálnou vlastnost světa, neznamenalo, že se musí všechny vzdálenosti přepočítat. I v případě, že využíváme pro určení vzdálenosti světlo, změna by závisela na tom, v jakém gravitačním poli se světlo při pohybu k nám pohybovalo. Změny by nemohly být nijak dramatické a musely by zapadnout do celé řady kosmologických experimentálních dat, které popisovaný jev neovlivňuje nebo ovlivňuje zanedbatelně.
Závěr
Jak je vidět, jsou hypotéza a model J. D. Fransona zatím velice jednoduché a trpí řadou vnitřních rozporů. Je zatím velice těžké posoudit, do jaké míry mají něco společného s realitou. Takových hypotéz, modelů a hříček se v teoretických pracích hlavně na pomezí současných znalostí struktury hmoty a interakcí objevuje téměř nespočetné množství. A často se také jimi vysvětlují některé rozpory v experimentálních pozorováních, které mají daleko jednodušší, pravděpodobnější i konzistentnější vysvětlení. Hraní teoretiků s různými modely, které většinou nemusí mít s naším světem nic společného, je důležitým prostředkem osahávání hranic našeho poznání a je důležitým nástrojem postupu vědeckého poznání. Obrovská většina takových hypotéz nakonec nevede k popisu reálného světa, ale bez jejich testování bychom ten správný popis nenašli. Navíc se při práci s nimi osahá a najde řada důležitých metod matematického a fyzikálního popisu.
Mám dojem, že popularizace vědy, nejen v Česku, se začíná ubírat ne zrovna správným směrem. Na místo porozumění světu a snahu o nalezení popisu skutečnosti se za prioritu považuje čisté PR a co největší počet čtenářů, což vede k bulvarizaci a skandalizaci. Pokud navíc dochází k tomu, že se soutěží o to, který ze serverů otiskne senzační téma převyprávěné ze zahraničního popularizačního zdroje první, tak už vůbec nezbývá čas na kontrolu, promyšlení a zasazení tématu do kontextu. Čtenář pak čte v několika zdrojích a od několika různých autorů stejné informace, takže je začne mylně považovat za prokázaný fakt. Je třeba ale vždy mít na paměti, že hypotézy a modely jsou často úplně protichůdné a vzájemně v rozporu, a neměli bychom z toho propadnout dojmu, že věda je jeden zvrat za druhým a jedna revoluce v ní střídá druhou.
Diskuze:
