Neutrina szybsze od swiatła?

Zamach na Einsteina
Albert Einstein kazał nam myśleć, że prędkość światła jest nieprzekraczalną barierą, której nic nie może pokonać. A jeśli tak nie jest?
Podziemne laboratorium Gran Sasso.
EAST NEWS

Podziemne laboratorium Gran Sasso.

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.

Aktualności, komentarze

W nowej POLITYCE

Zobacz pełny spis treści »

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj

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

Powrót na stronę główną