Почему нейтрино (с массой) от сверхновой прибывают раньше света (без массы)?

И нейтрино, и фотоны были произведены в ядре звезды, но фотоны имеют гораздо большую вероятность взаимодействия с внешним слоем звезды, чем нейтрино. Таким образом, фотоны были захвачены, тогда как нейтрино легко ускользнули. Это не имеет ничего общего с массой, а связано только с поперечным сечением взаимодействия с протонами/электронами для фотонов, с одной стороны, и для нейтрино, с другой.

Чтение ответа @dmckee заставило меня понять, что формулировка предыдущего абзаца звучит так, будто наблюдаемая нами вспышка света может быть вызвана тем, что эти фотоны в конечном итоге ускользают. Я не это имел в виду: этим фотонам потребуются миллионы лет, чтобы улететь, как это хорошо известно для нашего собственного Солнца. Только потому, что внешние слои звезды в конце концов сдуваются, мы видим световую вспышку.

Я должен был также указать, что электронные нейтрино могут вылететь только на ранних стадиях коллапса сверхновых II типа. При увеличении плотности в несколько раз$10^{11} \text{g}\ \text{cm}^{-3}$, рассеяния нейтрино на звездном веществе достаточно, чтобы сделать шкалу времени диффузии нейтрино из звезды короче, чем шкалу времени коллапса. Это комбинация увеличения плотности (и, следовательно, увеличения взаимодействия) и ускорения коллапса. Так что нейтринная вспышка, измеренная на Земле, произошла с самого начала эволюции в сверхновую.

Позвольте мне добавить несколько порядков. Сечение фотон-электронного рассеяния порядка$10^{-24} \text{cm}^2$. Сравните это с рассеянием нейтрино-нуклонов. Она изменяется пропорционально квадрату энергии нейтрино:

с энергией в МэВ. Так что это 20 порядков, плюс-минус.

Откуда такая огромная разница? Нейтрино взаимодействуют исключительно посредством слабого взаимодействия, тогда как фотоны взаимодействуют посредством электромагнитного взаимодействия с заряженными ядрами и электронами в звездной плазме. Так что это просто отражение относительной силы обоих взаимодействий. Нет никаких причин, по которым это должно быть так: просто так устроена наша Вселенная! Нас бы здесь не было, чтобы обсуждать эти вопросы, если бы на самом деле не было…

Ситуация со сверхновой связана не со скоростью полета, а со временем возникновения. Кандидат в сверхновые типа IIa большой , даже при очень мощном взрыве ядра требуется несколько часов, чтобы взорвать оболочку и обнажить насилие внутри, и только после этого звезда становится ярче в электромагнитном спектре. Но нейтрино улетают почти мгновенно.

Никакой экзотической физики не нужно.

В принципе — с достаточно хорошей моделью работы сверхновых — это может быть исследование абсолютной массы нейтрино.

Общая теория относительности не имеет к этому никакого отношения.

Специальная теория относительности не утверждает, что свет движется со скоростью$c$безусловно; это противоречило бы эксперименту: он говорит, что свет движется со скоростью$c$ в вакууме . В стекле и воде свет движется медленнее, потому что взаимодействует с веществом. Пока свет исходил от сверхновой, он, конечно, проходил через вакуум: но до этого он образовался в центре коллапсирующей звезды и должен был пробиться сквозь звезду, место, богатое плазмой. свободных электронов и море ядер, что вызывает подобное замедление. Черт возьми, на нашем Солнце требуется 171 000 лет, чтобы произведенный свет рассеялся , хотя, по общему признанию, это неупругое рассеяние, и нам, вероятно, нужно учитывать упругое рассеяние, которое ускорило бы процесс.

Специальная теория относительности также не говорит о том, что частицы должны двигаться с какой-то максимальной скоростью$v_\text{max} < c$. На самом деле, по мере того, как вы вкладываете в частицу все больше и больше энергии, она движется все быстрее и быстрее.$c$само ограничение скорости. Релятивистская формула состоит в том, что если дать кинетическую энергию$K$к частице тогда$v = c \sqrt{1 - 1/(K/mc^2 - 1)^2},$с которым приходится иметь дело довольно много, но если это соотношение$\kappa = K/mc^2$очень большой, это становится просто$v\approx c\sqrt{1 - 1/\kappa^2} \approx c~(1 - \frac12 \kappa^{-2}).$Для этих нейтрино мы можем вообразить кинетическую энергию в масштабе кэВ или МэВ, тогда как их массы, возможно, в масштабе эВ — мы не знаем точных деталей, но эти два числа, вероятно, вызывают очень большие$\kappa$возможно, 100 000 или более, а это значит, что эти дела идут, по крайней мере, со скоростью$c$минус примерно одна часть из 5 миллиардов. Путешествуя всего за 160 000 лет, это составляет всего около 15 минут времени, чего недостаточно, чтобы свести на нет все три часа между тем, когда нейтрино покинули звезду, и тем, когда, наконец, появился свет.