Piszemy o wszystkim, co ważne

Codziennie coś nowego. Bądź w centrum wydarzeń.

Subskrybuj
Nauka

Finałowa aria

Nadświetlne neutrina - ich wzlot i upadek

Rzeczywiście, gdyby wyniki uzyskane przez OPERĘ zostały potwierdzone, oznaczałoby to konieczność przeformułowania teorii względności. Póki co, wszystko zostaje bez zmian. Rzeczywiście, gdyby wyniki uzyskane przez OPERĘ zostały potwierdzone, oznaczałoby to konieczność przeformułowania teorii względności. Póki co, wszystko zostaje bez zmian. EAST NEWS
Miał być przewrót w fizyce, wyszła klapa. Jakie wnioski wyciągną naukowcy z tego przykrego doświadczenia?
Podziemne Laboratorium Gran Sasso National Laboratory w Assergi, gdzie przeprowadzono nieudany eksperyment z neutrinami.EAST NEWS Podziemne Laboratorium Gran Sasso National Laboratory w Assergi, gdzie przeprowadzono nieudany eksperyment z neutrinami.
W Gran Sasso prowadzone sa głównie badania tzw. geoneutrin. Na zdjęciu ich detektor.Paolo Lombardi/INFN-MI/materiały prasowe W Gran Sasso prowadzone sa głównie badania tzw. geoneutrin. Na zdjęciu ich detektor.

Einstein się mylił!”, „Przełomowe odkrycie!” – wołały niedawno nagłówki artykułów. Minione pół roku było w fizyce okresem niezwykłym, być może najgorętszym w ostatnich latach. Stało się tak za sprawą zespołu badawczego OPERA, pracującego w laboratorium Gran Sasso w środkowych Włoszech. 23 września 2011 r. naukowcy z tego zespołu ogłosili, że pomiar prędkości neutrin – dziwnych i wciąż niezbyt dobrze zrozumianych cząstek elementarnych – przyniósł zaskakujący wynik: są one szybsze od światła w próżni. A według teorii względności Einsteina, tej właśnie prędkości światła nic w przyrodzie przekroczyć nie może. Wiadomość o szokującym odkryciu krążyła początkowo jako plotka w blogosferze, następnie potwierdzona została przez dobrze poinformowane źródła, by w końcu doczekać się oficjalnego ogłoszenia. Po kilku godzinach była już w czołówkach agencji informacyjnych i na pierwszych stronach gazet.

Rzeczywiście, jeśli wyniki uzyskane przez OPERĘ zostałyby potwierdzone, oznaczałoby to konieczność przeformułowania teorii względności, będącej od z górą stu lat jednym z fundamentów fizyki i naszej współczesnej wiedzy o świecie zjawisk naturalnych. Co prawda nie jest specjalnie trudne wprowadzenie do tej teorii takich zmian, by dopuszczała ona istnienie cząstek poruszających się szybciej niż światło, ale wtedy takie hipotetyczne cząstki, zwane tachionami, nie mogłyby nigdy zwolnić.

W przypadku neutrin sytuacja byłaby bardziej skomplikowana, wiemy bowiem, że w pewnych warunkach poruszają się one z prędkościami mniejszymi od światła. Gdyby więc neutrina obserwowane w OPERZE były rzeczywiście nadświetlne, w pewnym warunkach musiałyby one pokonywać granicę prędkości światła, a to oznaczałoby, że teoria względności wymagałaby daleko idącej rewizji.

To musi być błąd

Reakcja fizyków pozornie była bardziej wyważona od sensacyjnego tonu doniesień medialnych. Pomiar wykonany przez OPERĘ jest najprawdopodobniej błędny, a doświadczenie należy powtórzyć – mówiono oficjalnie, by na korytarzach instytutów w podekscytowaniu dyskutować, co by było, gdyby OPERA miała jednak rację.

W kilka miesięcy powstały dziesiątki prac teoretycznych, których celem było modelowanie właściwości neutrin tak, aby zgadzały się one z obserwacjami. Już po kilku dniach od oficjalnego komunikatu OPERY stało się jasne, że gdyby wyniki pomiarów prędkości neutrin miały okazać się prawdziwe, to stałyby one w sprzeczności nie tylko z teorią względności, ale też bardzo trudno byłoby je pogodzić z wynikami wcześniejszych eksperymentów, np. obserwacjami neutrin powstałych w trakcie wybuchu gwiazdy supernowej.

W tym samym czasie w zespole OPERA trwała żmudna praca detektywistyczna, której celem było dokładne przejrzenie wszystkich aspektów doświadczenia. Na przełomie października i listopada 2011 r. przeprowadzono nową, dokładniejszą serię doświadczeń, które nie tylko potwierdziły wcześniejsze wyniki, ale wykluczyły też wiele potencjalnych, subtelnych źródeł błędów pomiarowych.

Nadświetlne neutrina stawały się coraz bardziej realne. Dopiero w grudniu przystąpiono do dokładnego przeglądu aparatury badawczej, szczególnie tej części, która służyła do kluczowego w tym eksperymencie, niezwykle dokładnego pomiaru czasu. Wynik tej weryfikacji był dla OPERY katastrofalny. Jeden ze światłowodów okazał się niedokładnie dokręcony, co spowodowało, że główny zegar eksperymentu nieznacznie się spóźniał (o kilkadziesiąt miliardowych części sekundy). Po paru miesiącach testów stało się jasne, że właśnie to było źródłem błędu pomiarowego i sensacyjnego wyniku.

Powtórna analiza danych (poparta niezależnym pomiarem wykonanym przez zespół IKARUS) pokazała, że neutrina zachowują się dokładnie tak, jak to przewiduje teoria względności. Pomiary prędkości neutrin będą jeszcze kontynuowane, ale nikt nie spodziewa się nowej sensacji.

Kilka tygodni po tym, jak wybrzmiała ostatnia aria tej tragikomicznej opery, warto postawić sobie kilka pytań. Czy zamiast wielkiego klasycznego przedstawienia mieliśmy do czynienia z operą mydlaną zakończoną kompromitującą klapą? Czy uczeni z OPERY nie powinni byli poczekać i dokładniej przeanalizować całe przedsięwzięcie, zamiast, w wyniku przedwczesnego ogłoszenia swojego odkrycia, narażać się na ośmieszenie? I najważniejsze: jak historia wzlotu i upadku nadświetlnych neutrin wpłynie na rozwój fizyki w następnych latach?

Ostateczne rozwiązanie

Bezwzględna krytyka zespołu OPERA byłaby niesprawiedliwa. Przeprowadzono bardzo skomplikowane doświadczenie, które przyniosło nieoczekiwany wynik. Zespół sprawdził możliwe źródła błędów (oprócz tego jednego!) i świadom potencjalnej wagi odkrycia upublicznił nie tylko ostateczne dane pomiarowe, ale również szczegóły techniczne eksperymentu. W ciągu kilku tygodni dokonano ponownego, dokładniejszego pomiaru prędkości neutrin. Nie zaprzestano przy tym poszukiwania błędów mogących wpłynąć na wynik doświadczenia, a gdy został on odkryty i potwierdzono, że to właśnie niedokręcony kabel zafałszował końcowe rezultaty, nie zawahano się tę informację natychmiast podać do publicznej wiadomości.

To profesjonalizm w czystej postaci. Prawdą jest, że ostateczne wyjaśnienie zagadki okazało się boleśnie banalne i można zadać pytanie, dlaczego okablowanie eksperymentu nie zostało sprawdzone na samym początku. Łatwo jednak to uczynić teraz, kiedy problem został zlokalizowany, trudniej zapewne było na to wpaść wcześniej.

Jest też inna pozytywna strona tej historii. Okazało się, że społeczność naukowców nie jest dogmatyczna – jest otwarta na fakt, że nowe odkrycia zaprzeczyć mogą utartym poglądom i odkryć takich nie należy bezrefleksyjnie odrzucać, arogancko twierdząc, że wiemy już wszystko, a fundamenty naszej wiedzy (w tym przypadku – teoria względności) są trwałe i niezmienne.

Podstawą fizyki są obserwacje, a nie modele teoretyczne. Kiedy obserwacje zaprzeczają teorii, nie obrażamy się na fakty, tylko zmieniamy teorię, niezależnie, jak bardzo ją kochamy i hołubimy. OPERA pokazała, że fizycy nadal do przyrody podchodzą z należną pokorą, w pełni świadomi ograniczeń tego, co o świecie wiemy.

Jest jednak druga strona medalu. Sto lat temu, kiedy Ernest Rutherford w swoim epokowym doświadczeniu odkrywał istnienie jądra atomowego, jego grupa badawcza składała się z trzech osób, cała aparatura pomiarowa mieściła się na kolanach, a doświadczenie wspierane było przez skromny grant Royal Society w wysokości 70 funtów (odpowiadającej, w zależności od sposobu liczenia, kilku lub nawet kilkudziesięciu tysiącom współczesnych funtów). Dzisiejsze doświadczenia w fizyce wysokich energii zatrudniają setki, jeśli nie tysiące naukowców, aparatura wypełnia wielokilometrowe tunele i groty skalne, zaś ich koszty idą w miliardy euro.

Nakłady na naukę pokrywane są w znacznej części przez pieniądze publiczne, pochodzące z kieszeni podatników. I to podatnicy mogą zechcieć się spytać, czy naukowcy z OPERY nie zawiedli ich zaufania? Czy nie lepiej było poczekać i sprawdzić wszystkie kabelki, zanim ogłosi się wyniki? Coś musiało być nie w porządku, skoro do dymisji podali się dyrektor i rzecznik OPERY.

Lekcja z OPERY

Nauka jest grą obarczoną ryzykiem, pełną błędów i pomyłek. Kosztujące setki milionów dolarów sondy kosmiczne wybuchają przy starcie lub przestają pracować w czasie lotu, cudowne wydawałoby się lekarstwa ujawniają po latach groźne działania uboczne, niewinnie wyglądające kable okazują się niedokładnie dokręcone… Nauka pełna jest takich przypadków. Zdarza się, że u ich źródła leży jakże ludzka żądza sławy, czasami można mówić o zaniechaniu czy niekompetencji, najczęściej – po prostu o pechu. W przypadku OPERY mieliśmy chyba do czynienia z tym ostatnim.

Janusowe oblicze historii OPERY ujawnia się też, kiedy zastanawiamy się, jakie zagrożenia mogą w jej wyniku pojawić się w przyszłości. We współczesnej fizyce analizę wyników doświadczenia prowadzi się „na ślepo”. Oznacza to, że zanim eksperymentatorzy przystąpią do analizy danych, starają się znaleźć i oszacować wszystkie możliwe błędy, jakie mogą mieć wpływ na wynik. Przeprowadza się bardzo szczegółowe symulacje komputerowe badanych procesów. Dopiero potem przetwarza się uzyskane w doświadczeniu dane i bez zbędnej zwłoki ogłasza się je publicznie. Celem tej procedury jest zminimalizowanie wpływu ludzkiej tendencyjności, uprzedzeń i skłonności. Tak postąpiono w przypadku OPERY, z katastrofalnym, jak się okazało, skutkiem.

Istnieje zagrożenie, że przyszli eksperymentatorzy zbyt dobrze pamiętać będą porażkę OPERY. Za każdym razem, kiedy w ich eksperymentach pojawi się jakaś anomalia, obawiając się kompromitacji, będą szukać błędów, wstrzymując się z ogłoszeniem wyników. Być może w niektórych przypadkach błędy takie zostaną odnalezione i eksperymentatorzy oszczędzą sobie ambarasu, ale zdarzyć się może, że wskutek takich zachowań ważne odkrycia ujrzą światło dzienne ze znacznym opóźnieniem albo wręcz ich publiczne ogłoszenie będzie odwlekane w nieskończoność. Gdyby tak się miało stać, przypadek OPERY przestanie być jedynie drobnym potknięciem, jakich w historii nauki było i będzie wiele. Będzie on prawdziwą katastrofą.

Prof. dr hab. Jerzy Kowalski-Glikman jest fizykiem, pracuje na Uniwersytecie Wrocławskim.

Dziwne jak neutrino

Neutrina są cząstkami elementarnymi podobnymi do elektronu, ale pozbawionymi ładunku elektrycznego i mają bardzo niewielką, niemalże zerową masę. Istnienie neutrin przewidziane zostało przez austriackiego fizyka Wolfganga Pauliego w 1931 r. jako hipotetyczny sposób wyjaśnienia właściwości pewnego rodzaju radioaktywności, zwanego rozpadem beta. Ponad ćwierć wieku upłynęło, zanim w 1956 r. neutrina zaobserwowano bezpośrednio. Neutrina trudno zobaczyć, ponieważ bardzo słabo oddziałują z materią: mogą z łatwością przelecieć przez Ziemię, nie wchodząc w reakcje z żadnym z jej atomów. Ta charakterystyczna cecha neutrin, z jednej strony bardzo utrudniająca wykrycie i badanie ich właściwości, może okazać się niezwykle użyteczna, bowiem umożliwia dotarcie za ich pomocą do zjawisk, których inaczej nie potrafilibyśmy zobaczyć, np. procesów zachodzących we wnętrzach gwiazd lub w bardzo wczesnych etapach ewolucji Wszechświata.

Polityka 24.2012 (2862) z dnia 13.06.2012; Nauka ; s. 80
Oryginalny tytuł tekstu: "Finałowa aria"
Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Rynek

Nowe szaty tyrana. Dlaczego Putin zaatakował i co go dziś przeraża?

Sergei Guriev, profesor ekonomii, były doradca prezydenta Rosji Dmitrija Miedwiediewa i były główny ekonomista EBOiR, o tym, co może czekać Putina i Rosję pod jego dyktatorskimi rządami.

Jacek Żakowski
18.05.2022
Reklama

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

Powrót na stronę główną