Was wären die Auswirkungen auf die theoretische Physik, wenn Neutrinos schneller als Licht sind?

Bevor ich antworte, ein paar Vorbehalte:

1. Wie Adam sagte, das Universum wird sich nicht anders verhalten, weil wir etwas entdeckt haben.
2. Im Moment scheint es viel wahrscheinlicher (sogar nach dem Eingeständnis der Experimentatoren), dass es sich nur um einen Fehler irgendwo in der Analyse handelt, nicht um einen tatsächlichen Fall von superluminaler Bewegung.

Wie auch immer: Wenn sich die Entdeckung als echt herausstellt, wird die Auswirkung auf die theoretische Physik enorm sein , im Grunde weil sie das Potenzial hat, die spezielle Relativitätstheorie zu entkräften , zeigt, dass die spezielle Relativitätstheorie unvollständig ist. Das hätte einen "Welleneffekt" durch das letzte Jahrhundert des Fortschritts in der theoretischen Physik: Fast jeder Zweig der theoretischen Physik der letzten 70+ Jahre verwendet die Relativitätstheorie auf die eine oder andere Weise, und viele der Vorhersagen, die aus diesen Theorien hervorgegangen sind, würden dies tun müssen neu geprüft werden. (Es gibt viele andere Vorhersagen auf der Grundlage der Relativitätstheorie, die wir direkt getestet haben, und diese werden weiterhin vollkommen gültig sein, unabhängig davon, was passiert.)

Genauer gesagt ist eine der wichtigsten Vorhersagen, die sich aus der speziellen Relativitätstheorie ergeben, dass „gewöhnliche“ Teilchen (mit realer Masse) die Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen oder überschreiten können. Dabei handelt es sich nicht nur um eine willkürliche Regel wie ein Tempolimit auf der Autobahn. Die Relativitätstheorie basiert im Wesentlichen auf einem mathematischen Modell der Bewegung von Objekten, der Lorentz-Gruppe. Wenn Sie vom Stillsitzen zum Bewegen übergehen, ändert sich im Grunde genommen Ihr Blickwinkel auf das Universum auf eine Weise, die durch eine Lorentz-Transformation oder einen „Boost“ angegeben wird, was im Grunde bedeutet, dass Zeit und Raum ein wenig vermischt werden. (Zeitdilatation und Längenkontraktion, falls Sie damit vertraut sind) Wir haben mit hoher Genauigkeit verifiziert, dass dies tatsächlich wahr ist, dh dass die beobachteten Folgen einer Änderung Ihrer Geschwindigkeit mit dem übereinstimmen, was der Lorentz-Boost vorhersagt. Jedoch, Es gibt keinen Lorentz-Boost, der ein Objekt von einer Bewegung langsamer als Licht zu einer Bewegung schneller als Licht bringt. Wenn wir ein Teilchen entdecken, das sich schneller als Licht bewegt, haben wir eine Art von Bewegung, die nicht durch Lorentz-Boosts beschrieben werden kann, was bedeutet, dass wir anfangen müssen, nach etwas anderem (außer der Relativitätstheorie) zu suchen, um es zu beschreiben.

Nun, nachdem ich das gesagt habe, gibt es ein paar (mehr) Vorbehalte. Erstens müssen wir uns, selbst wenn der Nachweis echt ist, fragen, ob wir wirklich ein Teilchen mit echter Masse gefunden haben. Die Alternative ist, dass wir ein Teilchen mit einer imaginären Masse haben könnten, ein echtes Tachyon, was mit der Relativitätstheorie vereinbar ist. Tachyonen sind jedoch theoretisch unbequem (na ja, das ist milde ausgedrückt). Der Haupteinwand ist, dass wir, wenn wir mit Tachyonen interagieren können, sie verwenden könnten, um Nachrichten in der Zeit zurückzusenden: Wenn sich ein Tachyon zwischen Punkt A und Punkt B bewegt, ist es nicht genau definiert, ob es von Punkt A gestartet und zu Punkt B gegangen ist oder es ging von B aus zu Punkt A. Die beiden Situationen lassen sich per Lorentz-Schub ineinander überführen, so dass man je nach Bewegungsablauf das eine oder das andere sehen konnte. (Das ist bei normaler Bewegung nicht der Fall.) Diese Idee wurde in der Vergangenheit untersucht, aber ich bin mir nicht sicher, ob etwas Nützliches dabei herausgekommen ist, und ich habe sowieso meine Zweifel, dass dies der Fall ist.

Wenn wir kein Tachyon gefunden haben, müssen wir vielleicht einfach akzeptieren, dass die Relativitätstheorie unvollständig ist. Dies wird im Fachjargon „Lorentz-Verletzung“ genannt. Die Leute haben einige Nachforschungen über Lorentz-verletzende Theorien angestellt, aber es war immer eine Art Randthema; Die Hauptabsicht bestand darin zu zeigen, dass dies zu Inkonsistenzen führt, wodurch "bewiesen" wird, dass das Universum Lorentz-invariant sein muss. Wenn wir jedoch superluminale Bewegung entdeckt haben, werden die Leute anfangen, sich diese Theorien viel genauer anzusehen, was bedeutet, dass es in den kommenden Jahren viel Arbeit für theoretische Physiker geben wird.

Während es für die Physik interessant, sogar potenziell enorm ist, können Sie immer noch darauf wetten, dass morgen die Sonne aufgeht. Auf eine Sache möchte ich Menschen hinweisen, die von der Tatsache begeistert sind, dass sich die Wissenschaft ständig verändert, nämlich dass alle neuen Änderungen die alten Beobachtungen in sie einpassen müssen. Der Artikel erwähnt dies sogar ausdrücklich.

Wenn sich herausstellt, dass Neutrinos das Potenzial haben, schneller als Licht zu reisen, bleibt die Tatsache bestehen, dass die allgemeine Relativitätstheorie eine fantastische Arbeit bei der Erklärung einer Vielzahl von Phänomenen leistet und dies immer tun wird.

Es besteht keine Chance, dass diese Beobachtung Neutrinophysik widerspiegelt. Die Neutrinps von Supernova 1987a kommen 3 Stunden vor dem Licht an, da das Licht der Supernova durch Materie blockiert wird. Lassen Sie uns dies auf 6 Stunden verdoppeln, um einige zweifelhafte Messungen einzubeziehen, und annehmen, dass alle 6 Stunden auf die superluminale Neutrionenreise zurückzuführen sind. Dann beträgt der Zeitunterschied für 400 km vs. 168.000 Lichtjahre$2.5 \cdot 10^{-12} s$, und diese ist um 4 Größenordnungen kleiner als die gemessene Abweichung. Das heißt, wenn die Neutrinos dem Licht um so viel voraus sind, wären die Neutrinos der Supernova etwa ein Jahr früher als das Licht eingedrungen.

Die Entfernungsmessung ist schwierig, weil der Lichtweg nicht derselbe ist wie der Neutrinoweg – die Neutrinos gehen durch die Erde. Wenn Sie die Entfernung messen, indem Sie Radar zwischen Türmen senden, müssen Sie sich mit Krümmungskorrekturen aufgrund von Bergen dazwischen, Gebäuden usw. auseinandersetzen, die auf 400 km leicht 20 m Weglänge hinzufügen können. Ich gehe also davon aus, dass sie die Entfernung per GPS gemessen haben. Aber dann haben Sie das Problem, dass Sie sich auf die Zusicherungen der US-Regierung verlassen, dass die absoluten GPS-Positionen auf 20 m zuverlässig sind. Relative Entfernungen können in Ordnung sein, selbst wenn absolute Entfernungen über große Entfernungen abweichen.

Ich kann nicht mehr sagen, ohne die Messung zu sehen, aber es ist im wissenschaftlichen Sinne des 5-Sigma-Vertrauens sicher, dass dies kein korrektes Ergebnis ist, daher ist es wahrscheinlich am besten, dies als unverantwortlichen Werbegag einzustufen .

NACH DEM ÜBERLASSEN DES PAPIERS: Kein Fehler an der absoluten GPS-Position gebunden

Ihre Schätzung der Entfernungsmessungen basiert auf den hervorragenden relativen Werten für die Verschiebung bei gegebenen GPS-Koordinaten. Sie können cm-Verschiebungen in der Erdkruste usw. erkennen. Aber der springende Punkt ist, dass Sie den relativen Abstand zwischen den beiden Punkten benötigen, und sie haben absolut keine unabhängige Kalibrierung des Fehlers bei der Langstreckenmessung und blasen Rauch und Spiegel mit wie genau sind die Kurzstreckenmessungen.

Hier ist die Referenz, die sie für ihre absolute Entfernungsmessung angeben; sie taten nichts aus eigener Kraft; http://www.iers.org/nn_11216/IERS/EN/IERSHome/home.html , und sie haben keine Fehlerschätzung der Werte vorgenommen, die sie daraus erhalten. Das ist nicht gut.

Ich kenne keine Möglichkeit, die absolute Position unabhängig zu kalibrieren, was genauer als der Neutrinostrahl ist. Die beste Interpretation des Papiers ist also, dass sie den Neutrinostrahl verwendet haben, um den Abstand zwischen dem Empfangs- und dem Emissionspunkt mit besserer Genauigkeit zu messen als das obige Projekt gibt.

Satelliten-Abberation

Da sich die Erde mit einer Geschwindigkeit v von ungefähr 400 m/s dreht, gibt es eine Abweichung in der scheinbaren Winkelposition von Satelliten, die in der Größenordnung von v/c liegt und normalerweise vernachlässigbar ist. Die Größe der Aberration zwischen zwei Momentanmessungen im Abstand von 700 km hängt von der Winkelposition des Satelliten am Himmel ab, und für einen Satelliten in 20.000 km Entfernung ergibt sich eine Differenz der geschätzten Position von etwa 20 m multipliziert mit einem trigonometrischen Faktor, der dies verringern kann 10% bis 1%.

Ich sehe in dem Papier keine Schätzung der Korrektur für die Winkelaberration.

Da Hawking bereits Quanteneffekte gefunden hat, um die Straßensperre durch Schwarze Löcher zu umgehen, die von der unverfälschten, nicht-quantenbezogenen Allgemeinen Relativitätstheorie aufgeworfen wurde, ist es möglich, dass es ähnliche Quantentunnelwege gibt, um diese Vorstellung zu umgehen$c$ist eine Straßensperre. Tatsächlich erfordert die Allgemeine Relativitätstheorie sowieso bereits eine Änderung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, und dafür ist der Himmel nicht gefallen, also selbst wenn diese Experimentatoren Recht haben, was unwahrscheinlich erscheint, muss dies nicht revolutionärer sein als das, was Wir haben bereits erkannt: Es gibt grundlegende Probleme bei der Vereinigung der Speziellen Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik, und wir sind möglicherweise noch nicht fertig. Ohne weltbewegend zu sein, wäre es großartig und aufregend, eine messbare Inkompatibilität zwischen der Speziellen Relativitätstheorie und der Quantentheorie zu haben, die für Experimente zugänglicher wäre als die Planck-Skala.

Sollten sich die Ergebnisse des OPERA-Experiments bestätigen, würde das wahrscheinlich bedeuten, dass Neutrinos Tachyonen mit negativem Massenquadrat sind. Wie David schrieb, stimmen Tachyonen mit der speziellen Relativitätstheorie (SR) überein, dh SR wird nicht verletzt, aber wir müssen immer noch etwas mit möglicher Kausalitätsverletzung tun.

Aber diese Situation ist in der Physik nicht neu. Ein 1935 von Einstein, Podolsky und Rosen (EPR) verfasstes Gedankenexperiment sollte zeigen, dass die Quantentheorie der Kausalität nicht genügt. Es dauerte etwa 50 Jahre, bis festgestellt wurde, dass in diesem Gedankenexperiment sowohl die Kausalität als auch die Quantentheorie erhalten sind. Übrigens ist es kein Gedankenexperiment mehr. Die Idee des EPR-Paradoxons wird in realen Experimenten zur Quantenteleportation sowie in neuesten Informationssicherheitssystemen verwendet.

Ich habe ein Buch des Moskauer Staatsuniversitätsprofessors Yakov Terletsky gefunden, das 1966 veröffentlicht wurde (leider nur auf Russisch). In diesem Buch unternimmt Terletsky einen Versuch, die Existenz von Tachyonen ohne Verletzung der Kausalität zu erklären. Hier ist der Link:

http://lib.mexmat.ru/books/8667