Запуск космического корабля, гоночный автомобиль, мчащийся по трассе, гепард, несущийся к своей добыче — наша родная планета полна высокоскоростных подвигов.
Но какая вещь самая быстрая на Земле? Ответ зависит от того, что вы вкладываете в понятие «вещь» и «на Земле». При этом главных кандидатов на это звание — нейтрино и фотоны — увидеть невооружённым глазом просто невозможно.
Самый очевидный ответ – свет. В вакууме свет движется со скоростью примерно 186 тыс. миль в секунду (300 тыс. километров в секунду). Ничто во Вселенной, о которой мы знаем, не может превысить эту скорость.
А свет — это вообще вещь? Физики с этим не полностью согласны. Некоторые говорят «нет», потому что свет не имеет массы. Другие говорят, что «да» — из-за особенностей квантовой механики свет является одновременно волной и частицей. И большинство физиков согласны с тем, что частицы — это вещи.
По словам Джона Мэтьюза (John Matthews), физика из Университета Юты, в космическом вакууме эти частицы, называемые фотонами, являются самыми быстрыми объектами.
На Земле всё становится немного сложнее, если только вы не находитесь в вакуумной камере. Как только фотон попадает в атмосферу Земли, его скорость немного замедляется. И тогда, при определённых обстоятельствах, у него может появиться конкуренция. Это потому, что не все частицы замедляются атмосферой так, как фотоны, рассказал Мэтьюз Live Science.
Мэтьюз является частью команды, которая обнаружила несколько очень быстрых частиц, возникающих в результате космических лучей сверхвысокой энергии — потоков субатомных частиц, падающих на Землю из космоса. Одна из этих частиц, получившая название «Oh-My-God» («О-Мой-Бог»), была обнаружена его коллегами в 1991 году в результате космического луча самой высокой энергии, который ещё предстоит обнаружить.
Подобные частицы начинают двигаться со скоростью, очень близкой к скорости света в вакууме. Но когда они врезаются в атмосферу Земли, «по своей природе они просто продолжают нестись вперёд», — сказал Мэтьюз. «Значит, они превышают скорость света в атмосфере».
Это делает частицы «Oh-My-God» одними из самых быстрых объектов с массой на Земле, но они не находятся на самом верху. Вместо этого эту награду получает нейтрино, по мнению Джастина Ванденбрука (Justin Vandenbroucke), физика элементарных частиц из Университета Висконсин-Мэдисон.
Частица «Oh-My-God», вероятно, представляет собой протон или, по крайней мере, она протоноподобна — довольно массивна в масштабе субатомных частиц. Масса нейтрино как минимум в 10 миллиардов раз меньше массы протона, поэтому благодаря основным законам физики оно может двигаться ещё быстрее, если ему дать такое же количество энергии.
Но хотя теоретически нейтрино могут двигаться очень быстро, на практике зафиксировать их довольно сложно.
«Нейтрино известны своей застенчивостью», — сказал Ванденбрук в интервью журналу Live Science.
В ходе долгосрочного эксперимента на Южном полюсе, удачно названного «IceCube», физики разместили детекторы внутри куска льда площадью 0,2 кубической мили (1 кубический километр) в надежде найти нейтрино высокой энергии. Внутри льда нейтрино с достаточной энергией может двигаться быстрее света. Когда это высокоэнергетическое нейтрино сталкивается с ядром атома во льду, оно может производить заряженные субатомные частицы, также движущиеся быстрее света. Эти быстрые частицы испускают вспышки света, известные как черенковское излучение, благодаря чему нейтрино можно косвенно обнаружить.
И в 2016 году учёные, участвовавшие в эксперименте «IceCube», обнаружили нейтрино самой высокой энергии, которое ещё пока не было тщательно изучено.
«Насколько нам известно, это самые быстрые частицы, которые когда-либо наблюдались», — рассказал Live Science Билл Луис (Bill Louis), физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории.
Ни одна частица с массой не может достичь скорости света в вакууме, но если она очень лёгкая и имеет много энергии, она в состоянии подобраться к этому показателю очень близко.
Насколько близко? Чтобы поддерживать скорость, Ванденбрук любит мыслить категориями девяток. Что-то, движущееся со скоростью 99,99% скорости света, будет иметь четыре девятки. По словам Ванденбрука, сверхбыстрое нейтрино, обнаруженное в 2016 году, будет иметь 33 девятки. По его расчётам, частица «Oh-My-God» будет иметь где-то от 20 до 24 девяток. Эта частица обладала большей энергией, но она также была намного более массивной.
Для сравнения, самая высокая скорость, достигнутая частицами в созданных человеком ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер ЦЕРН, будет иметь всего семь девяток.
Между тем, эти рекордные сверхбыстрые частицы «производятся естественными ускорителями частиц во Вселенной», — сказал Ванденбрук. «Мы не знаем, как они работают, но это действительно говорит о том, насколько удивительна природа по сравнению с людьми».
