Szybciej niż światło?

Neutrina to bardzo dziwne cząstki elementarne. Od dziesięcioleci zaskakiwały fizyków. Czyżby miały zatrząść posadami współczesnej nauki?

04.10.2011

Czyta się kilka minut

W czwartek 22 września tego roku naukowcy ogłosili, że zmierzono prędkość 16 tysięcy, wytworzonych w CERN-ie neutrin na 730-kilometrowej drodze do Gran Sasso we Włoszech. Okazało się, że średnio ich prędkość przekraczała prędkość światła (c = 299 792 km/s) 1,000025 raza. Wydawać by się mogło, że to niewiele, a jednak może się to okazać największym odkryciem ostatnich lat. Może, bo wynik ten nie jest jeszcze całkowicie pewny. Należy poczekać na potwierdzenie w innych eksperymentach.

Dlaczego jednak prędkość światła jest taka ważna?

***

Ponad sto lat temu Albert Einstein ogłosił swoją Szczególną Teorię Względności. Jej podstawą był potwierdzony przez liczne doświadczenia fakt, że światło porusza się z tą samą prędkością w każdym układzie odniesienia. Zachwiało to całą ówczesną wiedzą. Jest to też fakt, który pozornie stoi w sprzeczności z doświadczeniami życia codziennego. Bo jeśli np. dwa samochody jadą naprzeciwko siebie z prędkościami 50 km/h, to jeden kierowca widzi, w swoim układzie odniesienia, że drugi samochód zbliża się z prędkością 50+50=100 km/h. W przypadku prędkości relatywistycznych (zbliżonych do prędkości światła) tak nie jest. Gdyby obserwatorzy lecieli w swoim kierunku z prędkościami światła, to i tak zaobserwowaliby, że zbliżają się do siebie "jedynie" z prędkością światła (1c+1c = 1c!).

Einstein wysunął szereg wniosków i stworzył swoje Teorie Względności (najpierw Szczególną w 1905 r., potem Ogólną w 1915 r.). Zrewolucjonizowały one nasze rozumienie czasu, przestrzeni i grawitacji. Najsłynniejszymi wnioskami były możliwość zamiany masy na energię, zgodnie ze słynnym wzorem E=mc2, istnienie czarnych dziur czy nieprzekraczalność prędkości światła. Kiedy przyspieszamy jakąś cząstkę, to gdy jej prędkość zbliża się do prędkości światła, większość energii zużytkowana jest nie na zwiększenie prędkości, lecz na zwiększenie jej masy. Jedynie cząstki bezmasowe mogą się poruszać z prędkością światła.

Wiele tez Teorii Względności zostało potwierdzonych w niezliczonych eksperymentach, jak również w wielu spektakularnych zastosowaniach. Można tutaj wspomnieć chociażby o bombach atomowych. Ale też gdyby nie poprawki relatywistyczne, nasze GPS-y nie byłyby w stanie podawać tak dokładnych pozycji.

Nic więc dziwnego, że gdy CERN ogłosił wyniki swojego eksperymentu, wzbudziło to niemałą sensację w świecie fizyków. A wszystko za sprawą malutkich neutrin, które nie pierwszy raz sprawiły naukowcom wiele kłopotów. Już w 1930 r. ich istnienie zaproponował Wolfgang Pauli. Analizując rozpady beta (przemiany jądra atomowego, w których neutron zamienia się w proton i elektron opuszczający atom jako promieniowanie beta), doszedł do wniosku, że musi istnieć jeszcze jakaś cząstka unosząca pewną część energii. Cząstka, która bardzo słabo oddziałuje z materią, a więc jest prawie niewykrywalna. Neutrina odkryto dopiero w 1956 r. Okazało się, że są ich trzy rodzaje (neutrino elektronowe, mionowe i taonowe). Przez wiele lat toczył się spór o to, czy neutrina mają masę. Obserwacje tzw. oscylacji neutrin (zamiana jednego rodzaju neutrin w inne) dawały pewne wskazówki, lecz dopiero analiza soczewkowania grawitacyjnego gromad galaktyk pozwoliła oszacować masę neutrin na około 300 tys. razy mniejszą niż masa elektronu (choć istnieją też inne, lecz zbliżone szacunki).

W naturze występują cztery podstawowe oddziaływania: elektromagnetyczne i grawitacyjne (znane z dnia codziennego) oraz oddziaływania silne (odpowiedzialne za siły jądrowe) i słabe (np. rozpady beta). Neutrina oddziałują jedynie poprzez oddziaływania słabe i grawitacyjne. Z materią oddziałują tak nieznacznie, że większość z nich przelatuje przez kulę ziemską, jakby jej nie było. W omawianym eksperymencie przeleciały np. przez Alpy. Jest to też powód, dla którego tak ciężko je wykryć. Ale może to być również ich zaleta, bo dzięki nim możemy się dowiedzieć, co dzieje się np. we wnętrzach gwiazd lub za obłokami materii przesłaniającej odległe rejony Wszechświata. Neutrina są także jednym z kandydatów na ciemną materię, której we Wszechświecie jest prawdopodobnie kilka razy więcej niż materii zwykłej.

***

Większość naukowców, w tym również sami autorzy eksperymentu, podchodzi do wyników dość sceptycznie. Na razie przeprowadzono jedno doświadczenie i należy je teraz potwierdzić w kolejnych eksperymentach, prowadzonych przez innych naukowców przy użyciu innej aparatury. Wystarczy, że o ułamek procenta źle zmierzono odległość, a wynik może się okazać zupełnie inny. Możliwe też, że miał znaczenie jakiś bardzo trudny do zauważenia szczegół.

To właśnie eksperyment, a nie Teoria Względności, wzbudza najwięcej wątpliwości. W przeszłości zdarzały się już takie przypadki. Szczególnie że wynik ten stoi w sprzeczności np. z obserwacjami wybuchu supernowej z 1987 r. w Obłoku Magellana odległym o 168 tys. lat świetlnych. Strumień neutrin zaobserwowany po tym wybuchu przybył zaledwie o trzy godziny przed światłem. Należy jednak wziąć pod uwagę fakt, że neutrina są wysyłane już na początku wybuchu z samego wnętrza supernowej, gdyż prawie nie oddziałują z materią gwiazdy. Światło pojawia się dopiero, gdy fala uderzeniowa rozerwie całą gwiazdę. Obserwacja ta wskazywała, że prędkość neutrin jest mniejsza niż 1,000000002 prędkości światła, a z dużym prawdopodobieństwem jeszcze mniejsza. Gdyby ich prędkość była taka jak w eksperymencie, to neutrina dotarłyby ponad cztery lata wcześniej.

***

Gdyby wyniki ostatniego eksperymentu okazały się prawdziwe, fizycy stanęliby przed sporym problemem, ale również i poważnym wyzwaniem. Nie oznaczałoby to jednak, że wszystkie wnioski płynące z Teorii Względności są błędne. Fizycy nadal by ją stosowali w wielu zagadnieniach. W końcu teoria ta dawała świetne przewidywania w tysiącach eksperymentów.

Nie oznaczałoby to także łatwiejszych podróży kosmicznych. Nadal większym problemem byłby problem energetyczny związany z rozpędzeniem ogromnego statku do choćby ułamka prędkości światła. Ponadto sama Teoria Względności gwarantuje całkiem sprawne poruszanie się z prędkościami podświetlnymi na ogromne odległości. Czas dla obserwatora podróżującego z dużą prędkością zwalnia ­i teore­tycznie nic nie stoi na przeszkodzie, żeby człowiek mógł polecieć do galaktyki w Andromedzie, odległej o 2 mln lat świetlnych, w czasie krótszym od swojego życia. Jednak dla obserwatora znajdującego się na Ziemi podróż ta i tak trwałaby ponad dwa miliony lat.

Wciąż jeszcze za wcześnie, by stwierdzić, czy należałoby jedynie lekko zmodyfikować nasze poglądy (np. przesuwając o ułamek procenta maksymalną prędkość w przyrodzie), czy raczej zrewolucjonizować nasze postrzeganie czasu, przestrzeni i materii. Nawet drobna modyfikacja pociągałaby za sobą wiele konsekwencji. Wielką rewolucję jeszcze trudniej sobie wyobrazić.

Co prawda od jakiegoś czasu już wiadomo, że Ogólna Teoria Względności dość słabo pasuje do fizyki kwantowej (innej wielkiej teorii XX wieku). Powstało wiele prób połączenia ich, np. w teorii strun. Jednak na razie i te próby dają więcej pytań niż odpowiedzi. Fizycy od lat bezskutecznie próbują skonstruować teorie opisujące hipotetyczne cząstki nadświetlne zwane tachionami. Jednak próby te prowadzą do różnych sprzeczności lub innych patologii, takich jak urojona masa (czyli taka, której kwadrat jest liczbą ujemną) bądź poruszanie się jedynie wstecz w czasie.

Naukowcy z CERN-u to poważni ludzie. Dlatego doniesienie o ich odkryciu zostało przyjęte z wielką uwagą. Dotychczas Teoria Względności była wielokrotnie "obalana", najczęściej jednak przez maniaków, którzy zupełnie nie rozumieli jej istoty. Przez ponad sto lat opierała się tym atakom. Czy właśnie nadszedł kres tej pięknej i jakże ważnej dla naszego myślenia o otaczającym nas świecie teorii? Prawdopodobnie nie. Ale poczekajmy na ostateczne wyniki.

Dr TOMASZ ROMAŃCZUKIEWICZ jest fizykiem teoretykiem, pracuje na Uniwersytecie Jagiellońskim. Współpracuje z "Tygodnikiem Powszechnym".

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
79,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru TP 41/2011