Недавние расчеты Джеймса Фрэнсона из Мэрилендского университета показывают, что гравитационный эффект виртуальных пар электрон-позитрон при их движении в пространстве может нарушать принцип эквивалентности Эйнштейна. Этот эффект слишком слаб, чтобы его можно было измерить напрямую, но он может объяснить загадочные аномалии, наблюдавшиеся во время вспышки SN1987.
Современная квантовая механика описывает три из четырех известных нам типов взаимодействий: слабое, сильное и электромагнитное. Лучшее описание гравитации дает общая теория относительности Эйнштейна. Примирение теории относительности с квантовой механикой — одна из величайших задач современной физики. До сих пор нет ответа на вопрос о влиянии гравитации на квантовые объекты, такие как фотоны.
Астрономические наблюдения неоднократно показывали, что свет притягивается гравитационным полем. Традиционно это описывается с помощью общей теории относительности: гравитационное поле искривляет пространство-время, а свет замедляется (и слегка отклоняется), проходя через область кривизны.
В квантовой электродинамике движущиеся фотоны могут время от времени аннигилировать, образуя виртуальные электрон-позитронные пары. Пары также могут рекомбинировать «воссоздающие» фотоны. Если виртуальные пары в течение своей жизни находятся в гравитационном потенциале, они ощутят его действие. Если произойдет рекомбинация, фотоны будут произведены с энергиями, немного отличающимися от энергий первоначальных фотонов. Новые фотоны также будут двигаться медленнее.
Изучая проблему, Джеймс Фрэнсон искал ответ на вопрос, почему свет замедляется при прохождении гравитационного потенциала. Он подсчитал, как он замедляет свет согласно квантовой физике и общей теории относительности. Он ожидал, что получит такие же результаты, но результат расчетов оказался сюрпризом — изменения скорости света не совпали.
Ученый подсчитал, что рассматривая свет как квантовый объект, изменение скорости фотона зависит не от силы гравитации, а от самого гравитационного потенциала. Однако это приводит к нарушению принципа эквивалентности Эйнштейна.
Важным примером является фотон и нейтрино, движущиеся в пространстве параллельно. Нейтрино не может аннигилировать с образованием пары электрон-позитрон, поэтому фотон будет медленнее нейтрино, когда он проходит через гравитационное поле. Это потенциально позволяет нейтрино двигаться быстрее света в этой области пространства. Однако при рассмотрении той же задачи в другой системе отсчета при свободном падении в гравитационном поле ни фотон, ни нейтрино не замедляются. Фотон по-прежнему движется быстрее нейтрино.
Хотя идея о том, что законы физики могут зависеть от выбора системы отсчета, кажется бессмысленной, она может объяснить аномалию, наблюдаемую во вспышке сверхновой SN1987A в 1987 году. Тогда первый нейтринный сигнал от этого объекта был обнаружен на 7,7 часа раньше, чем наблюдался первый свет от SN1987A. Ученые наблюдали второй нейтринный сигнал за три часа до того, как свет достиг Земли. Сверхновые испускают большое количество нейтрино. Наблюдаемое за три часа до появления света излучение этих частиц согласуется с общепринятой теорией коллапса звезд и образования сверхновых.
Обычно считается, что первый наблюдаемый нейтринный импульс не связан со взрывом сверхновой. Однако, если модель Фрабсона верна, наблюдаемое замедление света можно объяснить гравитационным потенциалом Млечного Пути. Это, очевидно, не объясняет второй импульс, но Фрэнсон предполагает, что он может быть связан с двухступенчатым процессом коллапса звезды.
Ученый, однако, осторожно подчеркивает, что это возможный эффект, а не обязательно реальный. К сожалению, шансы проверить теорию так же малы, как вероятность взрыва почти сверхновой в ближайшем будущем. Только это позволило бы установить причины явления.