Zgodnie z obietnicą przyszła pora na komentarz dotyczący ostatnich wydarzeń jakie wstrząsnęły światem nauki. Jeśli dopiero wyszliście z izolatki lub wyłączyliście World of WarCraft, to dowiedzcie się, iż przekroczono prędkość światła! A przynajmniej tak twierdzą pracownicy CERN.
To co mnie uderzyło po opublikowaniu zaskakujących wyników badań, to ignorancja społeczeństwa. Obawiam się, że w większości wynika ona nie tyle z braku inteligencji czy wyobraźni, ile ze zwykłego niedokształcenia. Trudno mieć do przeciętnej osoby pretensje - na swoim przykładzie mogę powiedzieć, iż nie przypominam sobie aby nauczyciel przeznaczył na wyjaśnienie teorii względności więcej niż 1-2 godziny lekcyjne. Biorąc pod uwagę zarówno obszerność zagadnienia, jak i jego złożoność - to liczba śmieszna. Naturalnie byłbym wariatem twierdząc, iż da się na kilku stronach wytłumaczyć ogrom tej potężnej koncepcji. Sam mam spore kłopoty ze zrozumieniem niektórych jej postulatów i nie ma się czego wstydzić. Nie skłamałbym pisząc, że niewielu żyje ludzi na świecie mogących pochwalić się stuprocentowym zrozumieniem ogólnej i szczególnej teorii względności. Nie oznacza to jednak, że pewne podstawy dostępne są jedynie dla umysłów dorównujących geniuszowi Einsteina. Dlatego też wyszedłem z założenia, że rozpocznę od mini-wykładu, który być może uświadomi niektórym wagę odkrycia jakie miało miejsce w Genewie.
Relatywistyczny bajzel
Teoria Względności w dwóch odsłonach, szczególnej i ogólnej, jest dziełem geniuszu jednego umysłu. Nudzący się w niezbyt ambitnej pracy w urzędzie patentowym Albert Einstein, miał mnóstwo czasu na rozważania nad naturą przestrzeni i czasu. (Swoją drogą, to również wyjaśnia odwieczną zagadkę opieszałości urzędników.) Prawdziwą obsesją Szwajcara było światło. Już w tamtym okresie wiadomo było czym promień świetlny w istocie jest - przykładem fali elektromagnetycznej, oddziałującej z siatkówką ludzkiego oka i umożliwiającą widzenie. Kilkadziesiąt lat wcześniej szkocki fizyk - James Maxwell - ustalił, że wszystkie impulsy elektromagnetyczne przemieszczają się z taką samą, niezmienną prędkością. Wszystko wydawało się sensowne i uregulowane matematycznie, jednak już nastoletni Einstein dostrzegł pewien problem. Co jeżeli wybudujemy pojazd potrafiący przyśpieszyć do prędkości równej fali? Czy będziemy mogli pochwycić nieruchomy, z naszego punktu widzenia, promień światła? Odpowiedź nie mogła być pozytywna, ponieważ fala elektromagnetyczna ma niezmienną prędkość. Tego typu eksperymentami myślowymi geniusz wypracował cały pogląd na temat funkcjonowania rzeczywistości. Praca trafiła przed oblicze Maxa Plancka, uznanego profesora Uniwersytetu Berlińskiego. Planck natychmiast dostrzegł sprytne podejście Einsteina, zrozumiał do jak zuchwałego wniosku usiłuje dojść. Dla szybko przyśpieszającego obiektu światło w żaden sposób nie zwalnia, a więc dlań to czas płynie wolniej!
Do czasów Einsteina, pojmowano rzeczywistość jako statyczną przestrzeń współgrającą z równomiernie płynącym, absolutnym dla wszystkich czasem. Nie ważne czy znajdowalibyście się na Ziemi, w wahadłowcu czy w innej galaktyce - wasze zegarki powinny być zsynchronizowane. Rdzeniem idei Alberta Einsteina natomiast była (i jest) względność. Według nowatorskiej, szczególnej teorii względności, wszystko zależało od punktu widzenia obserwatora. Każdy obiekt we wszechświecie znajduje się w ruchu i nie podobna uznać "punktu widzenia" jednego z nich za absolutny i obowiązujący dla całego kosmosu. Tylko dwie rzeczy - powiada Einstein - są rzeczywiście absolutne: prawa fizyki oraz maksymalna prędkość światła (c = 299 792 458 m/s). Czas, a zaraz później przestrzeń okazały się pojęciami względnymi, możliwymi do zagięcia przez prędkość lub obecność masy. Tak więc zegarek kosmonauty w wahadłowcu będzie odmierzał czas nieco wolniej niż zegar ustawiony na Ziemi. Nie można też powiedzieć, że któryś z tych pomiarów jest fałszywy - żaden eksperyment nie rozstrzygnie, który układ inercjalny naprawdę spoczywa. Niegdyś myślano, że nasza planeta stanowi nieruchome centrum wszechświata i gdyby tak było rzeczywiście, można by względem niej stwierdzić jak czas płynąć "powinien". Tak jednak nie jest i nie mamy pojedynczego punktu odniesienia, toteż obserwatorzy poruszający się względem siebie są traktowani jako odrębne układy.
Na podstawie skomplikowanych obliczeń, zwanych transformacjami Lorentza, Einstein wysnuł konkretne konsekwencje swojego odkrycia. Streszczę je do minimum. Pierwsza to dylatacja czasu, o której już wspomniałem. Pomiar czasu w dwóch różnych układach odniesienia musi się od siebie różnić. Z tego wynika, że podczas ziemskiej doby, pasażer statku kosmicznego oddalającego się od nas z prędkością ok. 290 tys. km/s odczuje upłynięcie około 6 godzin. W uproszczeniu można posunąć się do stwierdzenia, że owy kosmonauta podróżuje w przyszłość. Drugim postulatem jest względność długości ciała, czyli odległości między jego końcami - kontrakcja. Problem pojawia się kiedy przychodzi zmierzyć wyjątkowo długie i szybko poruszające się ciało. Jednoczesność jest względna, a więc także długość ciała okaże się względna. Wyobraźcie sobie strzałę o wymiarach 1 metra. Gdybyście ją wystrzelili z prędkością bliską światłu, uległaby ona takiemu skróceniu, że w teorii zmieściłaby się w np. półmetrowym opakowaniu. Po trzecie, Einstein dzięki szczególnej teorii względności zauważył, że energia stanowi równoważnik rozrzedzonej masy, a masa równoważna jest zagęszczonej energii. Z efektów wzoru e=mc2 korzystamy na co dzień (my jako ludzkość, nie jako Polacy), wytwarzając energię w elektrowniach jądrowych. Wreszcie czwarty, felerny postulat - żadne ciało obdarzone masą nie może przyśpieszyć do prędkości równej bądź większej od prędkości światła.
Bardzo krótka historia czasu
Prędkość światła jest bezwzględna i nieprzekraczalna. Fizyk powiedziałby, iż gdy v osiąga prędkość większą niż c, to współczynnik relatywistyczny staje się liczbą urojoną. Mówiąc prościej, niemożliwością jest natychmiastowe przesłanie wiadomości z jednego krańca wszechświata na drugi, ponieważ niemożliwe jest przekazywanie sygnałów szybszych niż fala elektromagnetyczna. Główną przyczynę tegoż zjawiska, stanowi fakt, że fotony przenoszące owe oddziaływanie nie posiadają żadnej masy. Skoro tak, to ciału obdarzonemu masą należałoby dostarczyć nieskończoną energię aby dogoniło światło. Istnieje też inna przyczyna, dla której nic nie powinno prześcignąć światła, chyba nawet ważniejsza od tej.
Wyobraźcie sobie, że wsadzono Was w super-zaawansowany wehikuł przyśpieszający do prędkości światła. Zgodnie z teorią względności, im bardziej zbliżycie się 300 tys. km/s tym Wasze zegarki będą wolniej tykać. Nie odczujecie tego, jednak po powrocie do domu okaże się, że minęły dziesiątki lub setki lat. Następnie niech nasza machina złamie prawa fizyki i mimo posiadanej masy przyśpieszy, dajmy na to do 500 tys. km/s. Ufając teorii względności, trzeba założyć, iż zaczniemy się cofać w czasie! Warto tu zaznaczyć, że Einstein nie negował dosłownie możliwości podróży do przeszłości, co najwyżej uważał ją za nieprawdopodobną z praktycznego punktu widzenia. Jeżeli jednak przyjrzymy się samym wzorom, to dojdziemy do wniosku, że czysto teoretycznie można zawrócić na osi czasu, podobnie jak da się zamienić kierunek ruchu w przestrzeni. Z naszego punktu widzenia dojdzie do sytuacji niezwykłych, sprzecznych z tym do czego przywykliśmy. Przede wszystkim zachwianiu ulega druga zasada termodynamiki, czyli wzrost entropii we wszechświecie. Mówiąc po ludzku, metal nie będzie korodował, papier żółkł, a nasze ciała zamiast niszczeć odmłodnieją. Wiąże się z tym również szereg paradoksów logicznych. Przypomnijcie sobie ostatni film akcji jaki widzieliście. Załóżmy, że jeden z bohaterów był winny innemu pieniądze i został za to zastrzelony. Umiera. Na ekranie sceny układają się w logiczną sekwencję, w której każde zdarzenie daje w efekcie jakiś skutek. (Pomijam tu zamierzone retrospekcje.) Tak też jest w codziennym życiu. Jeżeli przeczytacie ten artykuł, będzie wiedzieli o czym on jest. Poruszając się z prędkością nadświetlną bohater umrze przed naciśnięciem spustu, a Wy będziecie znali artykuł zanim go przeczytacie. Ogarniacie ten nonsens? Ja nie, i nie jest to dziwne. Nasz aparat poznawczy wyewoluował w określonych warunkach, na powierzchni planety poruszającej się z taką a nie inną prędkością, więc ewentualne odwrócenie strzałek czasu zdaje nam się absurdalne. Podstawą działania ludzkiego umysłu stanowi związek przyczynowo-skutkowy. Tutaj skutek zamienia się miejscem z przyczyną, burząc cały nasz system myślowy i to zniechęcająca uczonych do uznania, że podróż w czasie kiedykolwiek będzie możliwa.
Nadświetlne neutrina
O to właśnie toczy się batalia. Znajdując lukę w szczególnej teorii względności, narażamy na szwank całe wyobrażenie fizyki oraz standardowy tok rozumowania, jakim posługuje się gatunek ludzki. Wszystko za sprawą trwającego 3 lata eksperymentu OPERA, którego wyniki ośmielono się opublikować dopiero teraz. Doświadczenie polegało na wystrzeleniu wiązki neutrin z akceleratora SPS (Super Proton Synchrotron) w CERN, do oddalonego o 730 km włoskiego ośrodka Gran Sasso. Wynik spowodował naukowe trzęsienie ziemi. Neutrina przybyły na miejsce o co najmniej 60 nanosekund za szybko! Nanosekunda to zaledwie jedna miliardowa część sekundy, lecz dla fizyków to wystarczająco dużo. Pracownicy biorący udział w OPERZE zaklinają się, że granica błędu pomiaru nie powinna być większa niż 10 nanosekund. Powtórzyli eksperyment jeszcze raz, jeszcze raz i jeszcze raz, aż przebadali 15 tysięcy wiązek neutrin. Wynik ciągle nie pasował. Zmieszany całą sytuacją prof. Antonio Ereditato stwierdził: Próbowaliśmy znaleźć wszystkie możliwe wytłumaczenia tego faktu. Chcieliśmy znaleźć błąd, trywialne błędy, bardziej skomplikowane błędy, ale nie znaleźliśmy. Naukowcy upublicznili rezultaty badań 22 września, oczekując, iż społeczność naukowa pomoże w zrozumieniu szalonego wyniku, bo to jest szalone.
Udowodnienie, że prędkość światła nie jest bezwzględną stałą fizyczną będzie przewrotem jakiego nauka nie doznała od wieku. Jego ważność można porównać ze sformułowaniem samej teorii względności, czy podstawowych wzorów mechaniki kwantowej. Nobel to za mało na nagrodzenie takiego odkrycia. Oczywiście, o ile zostanie ono potwierdzone. Co teraz mamy? Grupkę naukowców, którzy powtórzyli to samo doświadczenie, w analogicznych warunkach i na tym samym sprzęcie. Ryzyko błędu wciąż jest ogromne. Większość sceptyków upatruje najprostszego wyjaśnienia - niedokładności pomiaru i źle skalibrowanego sprzętu. Sprawdzenia sensacji pod tym kątem mają zamiar podjąć się Amerykanie. Wiązka neutrin zostanie wystrzelona przez Fermilab do kopalni Soudan w północnej Minnesocie. Jednak nawet powtórzenie wyniku nie usunie wszystkich wątpliwości. Już teraz głos podnoszą astrofizycy zdający się całkowicie niewzruszeni OPERĄ. Stwierdzają oni bez ogródek, że w Genewie musiał nastąpić błąd, gdyż wyniki są sprzeczne z tym co obserwujemy w przyrodzie. Wszechświat jest pełen neutrin emitowanych przez supernowe i gwiazdy, w tym nasze Słońce. Naukowców zastanawia, że nigdy nie zarejestrowali niczego co zaprzeczyłoby szczególnej teorii względności.
Moim zdaniem problemem może okazać się samo neutrino. To niezwykle mała i dziwna cząstka, od samego początku przysparzająca fizyków o ból głowy. Jej istnienie potwierdzono dopiero w latach '50 XX wieku, a niektóre kontrowersje pozostały nierozwiązane do dziś. Niezwykłość neutrin wynika z ich fizycznej obojętności. Gdyby skierować strumień neutrin na ołowiową ścianę o grubości 150 milionów km (średnia odległość Ziemi od Słońca), to przynajmniej kilka cząstek przeszyłoby przeszkodę jak gdyby nigdy nic. W każdej chwili bombardują nas miliony neutrin wysyłanych przez Słońce, z których niemal żadne nie oddziałuje z atomami budującymi nasze ciała. Dzieje się tak dlatego, iż neutrino kompletnie nie reaguje na dwie z czterech istniejących sił podstawowych. Ani elektromagnetyzm, ani oddziaływanie silne sklejające kwarki w jądrach atomów, nie są w stanie tknąć neutrina. Patrząc na to wszystko nie dziwi fakt, że jeszcze całkiem niedawno uważano cząstkę tą, podobnie jak foton, za bezmasową. W zasadzie do teraz naukowcy nie mają pojęcia jaką konkretnie masę neutrino posiada, ale przyjmuje się, że jednak większą niż zero. Pora znów wziąć pod lupę ten niesforny fermion i sprawdzić, czy w jego naturze nie leży wyjaśnienie ostatniej zagadki.
Geniusz nie zginie
Nauka wymaga od nas ciągłego sceptycyzmu. Zgłębiając zagadnienie trzeba badać twarde fakty, nie dając się ponieść optymizmowi wiodącemu na manowce. Teza nie zostanie obalona, póki nie powstanie sprawdzona i lepsza antyteza. Teoria względności to z naukowego punktu widzenia dzieło pierwszej próby. Albert Einstein za pomocą swojej idei ukuł całkowicie nowe spojrzenie na świat. Nie jeden fizyk wybierając swój zawód, zrobił to będąc pod silnym wrażeniem piękna równań i elegancji eksperymentów myślowych Einsteina. Udokumentowanie, że ciało o masie niezerowej jest w stanie przekroczyć prędkość światła byłoby krokiem milowym. Nie oznacza to jednak, że teoria względności, nawet szczególna, w całej okazałości trafi na naukowe wysypisko śmieci. Dziesiątki doświadczeń dowiodły jej prawdziwości, a wiele odkrytych w czasie późniejszym zjawisk wspaniale z nią współgrało. Możliwość złamania jednego z postulatów Einsteina nie usunie z nad fizyki relatywistycznego cienia, podobnie jak szwajcarski geniusz nie spowodował, że zapomniano o Isaacu Newtonie.
Eksperyment OPERA ma potencjał do otwarcia przed ludzkością nowych możliwości. Nie chodzi tu jedynie o szeroko rozumianą podróż w czasie. I tak nie doczekalibyśmy się praktycznego zastosowania tego zjawiska w ciągu najbliższych wieków. Z punktu widzenia nauki, nie mniej ważne byłyby czysto teoretyczne aspekty renowacji teorii względności. Do tej pory sądziliśmy, iż bliską nam wszystkim grawitację znamy zdecydowanie najlepiej, a jednocześnie dziwiło nas jak nie przystaje ona, do trzech pozostałych oddziaływań. Elektromagnetyzm i siły dotyczące cząstek elementarnych już w 1979 udało się połączyć w Modelu Standardowym. Niewielu do tej pory odważyłoby się powiedzieć: Hej! Może to w teorii względności leży błąd, uniemożliwiający wielką unifikację? Jak to często bywa - najciemniej bywa pod latarnią. A czy zmiana założeń szczególnej teorii względności będzie miała jakieś konsekwencje dla przeciętnego zjadacza chleba? Odpowiadam: a czy, dajmy na to, chromodynamika kwantowa takie znaczenie ma? Jeżeli człowiek potrafi spojrzeć dalej niż za talerz leżący przed nim na stole, okaże się, że każde doświadczenie, odkrycie i teoria mają ogromne znaczenie. Być może powiedzenie pozornie obojętnego "A" okaże się kluczowe dla odnalezienia w przyszłości doniosłego "B". Dylatacja czasu postulowana przez Einsteina nie miała kompletnie żadnego zastosowania w chwili odkrycia, a dziś jest niezbędna do działania satelitów telekomunikacyjnych oraz systemu GPS. Nie oznacza to, że nasi wnukowie będą podróżować wehikułami czasu. Myślę, że coś takiego będzie praktycznie nieosiągalne przez tysiące lat, a może nawet nigdy. Mimo to, jeżeli OPERA zostanie potwierdzona, wszyscy powinniśmy się cieszyć, że byliśmy świadkami otwarcia nowego rozdziału w księdze nauki. Pozostaje oczekiwać na rozwój wypadków i być może cały wysyp świeżych pomysłów.
Jeżeli moja teoria względności okaże się słuszna,
Niemcy powiedzą, że jestem Niemcem, a Francuzi, że obywatelem świata.
Jeśliby miała się okazać błędna,
Francja oświadczyłaby, że jestem Niemcem, a Niemcy, że jestem Żydem.
Albert Einstein
* A więc i tożsamą z nią materię.
Bibliografia:
Edward Speyer, Spadkobiercy Newtona, Warszawa 1997
Aleksander Nowik, Zrozumieć Einsteina, zamkor.pl
Jason Palmer, Speed-of-light results under scrutiny at CERN, bbc.co.uk
28 komentarzy
Rekomendowane komentarze