Гигантская квантовая частица – парадокс? Нет, реальность! И новые загадки
Мы привыкли представлять себе квантовые частицы чрезвычайно маленькими, однако, последние расчеты ученых показали, что «реликтовые» нейтрино, оставшиеся во Вселенной со времен Большого Взрыва, могут быть очень и очень большими.
Нейтрино – это стабильные элекрически-нейтральные элементарные частицы с полуцелым спином, участвующие в слабых и гравитационных взаимодействиях. По аналогии с электронами, имеющими электрический заряд, нейтрино приписывается «заряд слабых взаимодействий» - так называемый «аромат» (название этого заряда не имеет никакого отношения к запаху), относящий частицы к одному из трех типов: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Каждый такой тип с точки зрения квантовой механики является суперпозицией нескольких массовых состояний (состояний с определенной массой). Нейтрино свойственно такое явление, как осцилляции – периодическая смена «аромата» за счет изменения композиции массовых состояний. Точные значения массы в этих состояниях пока не известны, однако, установлены примерные оценочные границы.
Нейтрино очень слабо поглощается веществом, таким образом, эти частицы чрезвычайно сложно обнаружить. Для их исследования строятся специальные детекторы; они располагаются под толщей земной коры или воды для того, чтобы «отфильтровать» прочие элементарные частицы (хорошо взаимодействующие с веществом). «Пойманные» нейтрино позволяют подтвердить и приумножить знания об отдаленных астрономических объектах. Особый интерес для науки всегда представляли так называемые «реликтовые» нейтрино – нейтрино, образовавшиеся в результате Большого Взрыва.
«Реликтовые» нейтрино, как и фотоны, представляющие собой космический микроволновый фон, - все, что нам осталось от горячей плотной Вселенной, существовавшей около 13,7 миллиардов лет назад. Даже учитывая, что при расширении вселенной количество частиц на единицу объема пространства уменьшилось, в каждом кубическом сантиметре все равно остается порядка 300 «реликтовых» нейтрино (почти столько же – и «реликтовых» фотонов). Средняя энергия при этом уменьшилась настолько, что наземные детекторы нейтрино не могут зафиксировать «реликтовые» частицы.
Как было указано выше, точных данных по массовым состояниям нейтрино пока нет; именно с оценки массы и начались исследования, приведшие ученых к весьма неожиданному результату. Согласно публикации в Physical Review Letters, волна нейтрино (описывающая вероятность нахождения квантовой частицы в определенный момент времени, а также взаимодействия с другими частицами) может иметь пространственные размеры порядка миллиардов световых лет. Это означает, что часть волновой функции может быть в нашей галактике, а другая часть – на границе наблюдаемой Вселенной. Такой вывод – прямое следствие теории о суперпозиции массовых состояний. Каждое массовое состояние самостоятельно двигалось бы с определенной скоростью; причем, чем больше масса – тем меньше эта скорость. Для обычных нейтрино все эти скорости были бы близки к скорости света. Но вот здесь то и проявляется особенность так называемых «реликтовых» нейтрино, которые имеют крайне малую энергию. Энергия настолько мала, что если бы мы рассматривали отдельно лишь самое тяжелое массовое состояние, скорость такой частицы была бы много меньше скорости света, в то время как более легкие состояния двигались бы в разы быстрее. Это объясняет столь большие «пространственные размеры» частицы.
На данный момент является загадкой то, как квантовая частица таких масштабов будет взаимодействовать с гравитацией галактик и их кластеров. Оцените сами: что произойдет, если путь такой частицы пройдет через плотную галактику, и нейтрино замедлится настолько, чтобы зафиксироваться гравитационными силами? Согласно идеям квантовой механики, когда положение частицы измеряется, ее волновая функция «сжимается» до одной единственной точки. Так и случилось бы, будь вся волновая функция «на территории» галактики. Но поведение столь «масштабной» волновой функции на данный момент не ясно.
