Nauka

Zamach na Einsteina

Neutrina szybsze od swiatła?

Podziemne laboratorium Gran Sasso. Podziemne laboratorium Gran Sasso. EAST NEWS
Albert Einstein kazał nam myśleć, że prędkość światła jest nieprzekraczalną barierą, której nic nie może pokonać. A jeśli tak nie jest?
Ostatnie chwile przed rozpoczęciem eksperymentu OPERA.EAST NEWS Ostatnie chwile przed rozpoczęciem eksperymentu OPERA.

Chociaż doniesienia ze świata nauki niezbyt często ostatnio odnotowywane są w mediach, ta wiadomość obiegła świat lotem błyskawicy, pojawiła się w czołówkach agencji prasowych i na pierwszych stronach poczytnych gazet. 22 września grupa naukowców z Europejskiego Centrum Badań Jądrowych (CERN) w Genewie i laboratorium Gran Sasso we Włoszech biorących udział w doświadczeniu OPERA ogłosiła, że zmierzona przez nich prędkość cząstek elementarnych zwanych neutrinami jest większa od prędkości światła. Odkrycie to podaje w wątpliwość jeden z najważniejszych fundamentów współczesnej fizyki – teorię względności, która głosi, że nic nie może się poruszać szybciej niż światło. W doniesieniach prasowych co rusz pojawiały się dramatyczne pytania: Czyżby Einstein się mylił? Czy przewraca się w grobie?

Dlaczego światło – i jego prędkość – jest w fizyce czymś tak wyjątkowym? Wynika to z faktu, że ma ono, pozornie, paradoksalne właściwości. Gdy idę ruchomym chodnikiem, to moja prędkość względem innej osoby stojącej na tym chodniku i względem kogoś, kto stoi obok tego chodnika, różnią się: ta druga jest sumą pierwszej i prędkości chodnika względem ziemi. Podobnie, gdy stojąc na ruchomym chodniku wyrzucę piłkę, to jej prędkość względem osoby stojącej na ziemi będzie równa sumie prędkości piłki względem mnie i prędkości chodnika. A co stałoby się, gdybym zamiast piłki, stojąc na ruchomym chodniku, wypuścił promień świetlny. Intuicja podpowiada, że również w tym przypadku prędkość światła względem mnie byłaby inna niż względem osoby stojącej na ziemi.

Okazuje się jednak, że tak nie jest! Prędkość światła nie zależy od tego, jak porusza się jego źródło i obserwator prędkość tę mierzący. Światło ma tę wspaniałą cechę, że prędkość jego ruchu (precyzyjniej mówiąc – prędkość w próżni) jest uniwersalną stałą przyrody. Ta specyficzna właściwość światła, o której wiedziano już pod koniec XIX w., stała się punktem wyjścia do stworzenia przez Einsteina w 1905 r. jego szczególnej teorii względności (patrz ramka). Teoria ta jest fundamentem całej współczesnej fizyki i zgodność jej przewidywań z obserwacjami potwierdzona została w niezliczonych doświadczeniach przeprowadzonych w ciągu ostatniego stulecia.

Jedną z konsekwencji szczególnej teorii względności jest fakt, że prędkość światła charakteryzuje się nie tylko uniwersalnością (światło nie „potrafi” poruszać się z inną prędkością), lecz na dodatek stanowi nieprzekraczalną granicę: żadnej cząstki nie można, nawet teoretycznie, rozpędzić z prędkości podświetlnej do prędkości światła, nie mówiąc już o prędkości nadświetlnej. Jest to bardzo przykra konstatacja, chociażby dlatego, że – jak dobrze wiedzą miłośnicy fantastyki naukowej – podróż do najbliższych gwiazd musiałaby zająć lata, jeśli nie dziesięciolecia.

Bez ładunku, bez masy

Czym są owe tajemnicze neutrina, które pozwoliły sobie dokonać zamachu na autorytet największych fizyków? Parę lat po ich odkryciu w 1956 r. pisarz amerykański John Updike w poświęconym im wierszu pisał:

Neutrina mają rozmiary małe,

Żadnego ładunku, ani masy,

Z niczym nie zadają się wcale. (...)

Są niczym pokojówki z miotełką,

Biegnące przez pełne przeciągów sale.

I choć neutrina są obecne w wielkiej liczbie – w każdej sekundzie ciało każdego z nas przeszywają ich miliony miliardów – bardzo trudno je zaobserwować, ponieważ niezwykle niechętnie wchodzą one w interakcje z materią. Nawet za pomocą największych istniejących detektorów, takich jak detektor doświadczenia OPERA (to akronim od Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), specjalnie skonstruowanych po to, by neutrina można było zobaczyć, udaje się ich wychwycić zaledwie parę.

Pomiar prędkości nieuchwytnych neutrin nie jest więc zadaniem łatwym. W doświadczeniu OPERA neutrina wytwarzane były w CERN w wyniku zderzeń wytworzonych w akceleratorze (ale nie był to znajdujący się w tym laboratorium słynny akcelerator LHC, Large Hadron Collider, o którym też było ostatnio głośno) bardzo wysokoenergetycznych cząstek elementarnych z nieruchomą grafitową tarczą. Otrzymane w wyniku tych zderzeń neutrina wysyłane były w kierunku znajdującego się w odległości 730 km laboratorium Gran Sasso, gdzie następowała ich detekcja.

Pozornie wydawać by się mogło, że nie ma nic prostszego niż zmierzenie prędkości takich neutrin: wystarczy podzielić 730 km przez czas, jaki upłynął od momentu ich powstania w CERN do chwili detekcji w Gran Sasso. Ale to tylko pozór. W celu wystarczająco dokładnego pomiaru trzeba znać nie tylko drogę, jaką pokonują neutrina (zmierzoną z dokładnością do 20 cm), ale również bardzo dobrze, z precyzją do miliardowych części sekundy, zsynchronizować atomowe zegary mierzące czas w obu laboratoriach.

Pokonanie tych przeszkód technicznych możliwe było dzięki wykorzystaniu najnowszych osiągnięć metrologii, pozwalających na niewyobrażalnie dokładne pomiary. W wyniku trwających trzy lata badań okazało się, że neutrina przybywały do Gran Sasso o 60 miliardowych sekundy wcześniej, niż się spodziewano, co oznacza, że poruszają się one z prędkością o jedną tysięczną procenta większą niż prędkość światła w próżni.

Wydawać by się mogło, że owe miliardowe części sekundy to bardzo niewiele, ale jeśli wynik ten potwierdzony zostanie w innych doświadczeniach, które przeprowadzone zostaną w niedalekiej przyszłości, oznaczać to będzie wielki przewrót w fizyce, konieczność modyfikacji wielkiego dzieła Einsteina.

Lecz czy wyniki OPERY naprawdę są wiarygodne? Olbrzymia większość naukowców, eksperymentatorów i teoretyków, pytanych o zdanie w tej sprawie, bez większego wahania mówi, że pomiar prędkości neutrin wykonany przez OPERĘ musi być błędny. Opinia ta podzielana była zapewne przez czterech znanych uczonych pracujących przy tym eksperymencie, którzy wycofali swoje nazwiska z pracy donoszącej o odkryciu. Jednak jeśli posłuchać rozmów prowadzonych na korytarzach instytutów naukowych, to co rusz usłyszeć można: „to niemożliwe, by OPERA miała rację, ale…”, i zapadające po tym pełne napięcia milczenie.

Praca przynosząca doniesienie o odkryciu OPERY kończy się znaczącym stwierdzeniem, że „rozmyślnie nie prezentujemy możliwych interpretacji otrzymanych wyników”. Jak można było się spodziewać, już następnego dnia po upublicznieniu danych rozpoczął się wylew publikacji analizujących różne możliwe scenariusze (część z nich napisana została zapewne jeszcze przed oficjalnym ogłoszeniem wyników – ich autorzy mieli niechybnie swoich „szpiegów” wśród współpracowników OPERY). Większość z tych prac zaczynało się od mniej lub bardziej dobitnie wyrażonego przekonania, że uzyskane wyniki są najprawdopodobniej błędne, by błyskawicznie przejść do rozważań, jak można by je wytłumaczyć, gdyby jednak okazały się prawdziwe… Wiadomo, jeśli OPERA ma rację, ten, kto pierwszy zaproponuje poprawne wyjaśnienie, może sobie zacząć szyć frak (lub suknię) na ceremonię wręczania Nagrody Nobla.

Na progu rewolucji

Na czym więc stoimy kilkanaście dni po ogłoszeniu, że neutrina poruszają się szybciej niż światło? Z opublikowanych dotychczas analiz wynika w miarę jednoznacznie, że nawet jeśli pomiar ten jest prawidłowy, jego interpretacja nie będzie prosta. Problem polega na tym, że OPERA nie jest pierwszym (acz zapewne najlepiej kontrolowanym) eksperymentem, w którym zmierzono prędkość neutrin. W 1987 r. w kilku laboratoriach udało się zaobserwować neutrina powstałe w wyniku wybuchu gwiazdy supernowej, co pozwoliło  określić graniczną prędkość neutrin, pozostającą w jawnej sprzeczności z wynikiem uzyskanym przez OPERĘ. Jednak neutrina pochodzące z supernowej miały energię znacznie mniejszą od tych, których używano w OPERZE, i te dwa pomiary nie muszą koniecznie kłócić się ze sobą, o ile prędkość neutrin w znaczący sposób zależy od niesionej przez nie energii. Ale nawet jeśli tak jest w istocie, okazuje się, że znalezienie modelu zgodnego z wynikami obu tych obserwacji nie wydaje się proste.

Coś już jednak wiadomo niemal na pewno. Najprostszym wyjaśnieniem zachowania neutrin wydaje się pomysł, że są one tachionami: dopuszczanymi przez szczególną teorię względności, hipotetycznymi cząstkami poruszającymi się z prędkością większą niż prędkość światła. Istnienie tachionów nie jest sprzeczne z postulatami teorii względności, gdyż znajdują się one zawsze po drugiej stronie „barykady” określonej przez prędkość światła, nigdy nie zwalniają z prędkości nadświetlnej do podświetlnej. Tyle że dane zebrane przez OPERĘ w połączeniu z obserwacjami neutrin z supernowej wykluczają możliwość, by neutrina mogły być cząstkami tego rodzaju.

Inne możliwe wyjaśnienia dostarczane są przez intensywnie badane w ciągu ostatnich kilkunastu lat spekulatywne modele teoretyczne, będące uogólnieniem szczególnej teorii względności (a warto wspomnieć, że do badań tych znaczący wkład wniosła grupa polskich fizyków kierowana przez prof. Jerzego Lukierskiego z Wrocławia). W teoriach tych przestają obowiązywać sztywne ograniczenia narzucane przez teorię względności. Rozważane są modele, w których prędkość światła zależy od niesionej przez nie energii (tak że światło niebieskie porusza z nieco inną prędkością niż czerwone); maksymalna prędkość osiągana przez cząstki może być mniejsza albo większa niż prędkość światła itd. Dopuszcza się też myśl, że wyniki OPERY wskazują na istnienie dodatkowych wymiarów przestrzeni, przez które wysokoenergetyczne neutrina poruszają się – w pewnym sensie – na skróty, osiągając w efekcie nadświetlne prędkości. Lista pomysłów jest bardzo długa. Okazuje się jednak, że nawet w ramach tych modeli nie jest łatwo odtworzyć wyniki ostatnich doświadczeń.

Jeśli mnie więc ktoś zapyta, co myślę o nadświetlnych neutrinach i wynikach doświadczenia OPERA, po tygodniu zastanawiania się odpowiem: to nie może być prawda… Ale gdyby jakimś cudem okazało się, że neutrina rzeczywiście poruszają się szybciej niż światło, byłoby to zapewne największe odkrycie ostatnich dziesięcioleci i przed fizykami otwierają się pola dociekań niewyobrażalne jeszcze dwa tygodnie temu. Ogromne obszary wiedzy będą musiały ulec krytycznej rewizji, wiele teorii trafi do kosza, innym, zapomnianym, przywrócony zostanie blask.

Na horyzoncie czekają zapewne nowe technologie, o których dziś nawet nam się nie śni. Za pięć lat nie polecimy pewnie do gwiazd, ale nadświetlne neutrina – jeśli istnieją – już niedługo odmienią nasze życie. Jak – tego nie wie jeszcze nikt.

Fizyk; wątpiący; znajomi mówią o nim „kulturalny wielbiciel heavy metalu” – tak napisał o sobie na blogu naukowym POLITYKI (naukowy.blog.polityka.pl), którego jest uczestnikiem. Urodzony w 1957 r. prof. Kowalski-Glikman jest pracownikiem Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Wrocławskiego. Zajmuje się głównie problemem kwantowej grawitacji. Jest współtwórcą podwójnie szczególnej teorii względności, czyli szczególnej odmiany szczególnej teorii względności Einsteina. Współpracuje z m.in. Lee Smolinem z Perimeter Institute w Kanadzie. Jest felietonistą, autorem i współautorem kilku książek. Tłumaczy także na język polski książki popularnonaukowe.

W czterowymiarowej czasoprzestrzeni

Wielki przewrót w nauce nowożytnej, którego światło było głównym bohaterem, miał miejsce na przełomie XIX i XX w. Oczywiście od setek lat zastanawiano się nad jego naturą. Rozważano dwie podstawowe możliwości – że światło ma naturę korpuskularną, cząsteczkową oraz że jest falą. Teoria falowa z czasem zaczęła się wydawać coraz bardziej trafna, ale myślano o niej w sposób radykalnie inny niż dziś. Zdaniem większości uczonych aktywnych pod koniec XIX w. światło rozchodzić się miało we wszechobecnym, stałym, niezmiennym i generalnie nieruchomym ośrodku zwanym eterem. Kiedy pojawiały się hipotezy, a z czasem także eksperymenty sugerujące, że idea eteru jest chybiona, szukano ratunku w karkołomnych teoriach alternatywnych. Eter trzymał się mocno, prawdopodobnie dlatego, że był osadzony niezwykle solidnie w ówczesnym światopoglądzie i dawał poczucie pewnego bezpieczeństwa, nie tylko intelektualnego. Obawiano się idei kosmicznej próżni.

O uniwersalności prędkości światła, czyli o tym, że niezależnie od tego, jak szybko porusza się obserwator, zawsze będzie otrzymywał ten sam wynik pomiaru, przekonano się w paradoksalny sposób. Albert Abraham Michelson, fizyk amerykański polskiego pochodzenia, do którego z czasem dołączył Edward Morley, za cel postawił sobie wykazanie, że Ziemia porusza się względem wspomnianego eteru. Chciał zmierzyć prędkość wiatru eteru – który ideowo nie różni się niczym od tego, co czujemy wystawiając głowę z okna jadącego samochodu czy pociągu. Michelson najpierw badał tę sprawę sam, ale do historii przeszedł superprecyzyjny eksperyment wykonany w 1887 r. wespół z Morleyem. Okazało się, że światło biegnie z jednakową prędkością w każdym kierunku – co było całkowicie sprzeczne z ich oczekiwaniami. Światło bowiem powinno było, ich zdaniem, zachowywać się jak pływak pokonujący rzekę (czyli wiatr eteru) – jego prędkość względem brzegu powinna zależeć od tego, czy płynie z prądem, czy pod prąd; z eterem czy wbrew eterowi. Tymczasem tak się nie działo. Fakt ten, wielokrotnie potem sprawdzany i potwierdzany, jak również ewidentnie nieudane małżeństwo doprowadziły Michelsona do szaleństwa.

Pierwsze wyjaśnienie, które tylko częściowo wytrzymało próbę czasu, zaproponował Hendrik Lorentz. Ten fizyk holenderski uznał, że prędkość światła jest stała, bo ciała poruszające się względem eteru ulegają deformacji, skróceniu. Trzeba było jednak geniuszu Alberta Einsteina, żeby odrzucić na dobre ideę eteru, przestać sztukować teorie rodem ze średniowiecza łatkami kolejnych poprawek. Einstein, który – co ciekawe – miał nikłe lub wręcz żadne pojęcie o doświadczeniach Michelsona i Morleya – sformułował w 1905 r. przełomową teorię mówiącą, że prędkość światła jest jednakowa we wszystkich układach odniesienia. Doszedł do tego wniosku, jak to Einstein, drogą eksperymentów myślowych. Jednym ruchem pogodził dwie niekompatybilne dotąd teorie, mechanikę klasyczną i elektromagnetyzm, zażegnał kryzys w nauce oraz zbudował wstęp do teorii znacznie potężniejszej – ogólnej teorii względności, której oczywiście też był autorem. Obie jego teorie zrewolucjonizowały nasze wyobrażenia o czasie i przestrzeni. Od tej pory myśleć o nich należy jak o dwóch aspektach jednego bytu fizycznego – czterowymiarowej czasoprzestrzeni.

Czy Einstein na pewno miał rację? Czy prędkość światła to absolutny limit prędkości we Wszechświecie? Zważywszy na historię nauki, pewności mieć nie możemy. Jak w ostatniej książce (wkrótce napiszemy o niej w POLITYCE) pisze David Deutsch, wybitny fizyk brytyjski, nauka to sukcesja błędnych mniemań. Gorsze błędy starszych teorii zastępujemy lepszymi błędami kolejnych. I tak w nieskończoność. Tym bardziej warto śledzić wyniki OPERY i podobnych eksperymentów.

 

Polityka 41.2011 (2828) z dnia 04.10.2011; Nauka; s. 67
Oryginalny tytuł tekstu: "Zamach na Einsteina"
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Kraj

Wpływowi znajomi prezydenta Dudy

Tylko nieliczni krakowscy znajomi i koledzy Andrzeja Dudy nie odwrócili się od niego. Została garstka. Ale za to wpływowa.

Anna Dąbrowska
09.07.2020
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną