Autorii unui experiment al CERN (experimentul OPERA) au susținut că au înregistrat neutrinii depășind limita fundamentală de viteză din universul cunoscut. Particulele subatomice se pare că au călătorit mai repede decât viteza luminii, de la un laborator din apropiere de Geneva, Elveția, până la un detector amplasat în Italia. Unele voci au mers de la a cere modificarea teoriei relativității, până la a postula posibilitatea călătoriei în timp. Cred că, înainte de a realiza un tablou complet, trebuie să luăm în considerare câteva chestiuni esențiale. Voi formula acest lucru sub forma a șapte întrebări, cu răspunsurile adecvate.
1. Ce sunt neutrinii?
Neutrinii sunt particule subatomice aproape lipsite de masă, care sunt recunoscute pentru faptul că rareori interacționează cu alte forme ale materiei, neutre din punct de vedere electric și cu un spin1 semi-întreg. Neavând sarcină electrică, neutrinii nu sunt afectați de radiațiile electromagnetice care acționează asupra particulelor încărcate electric precum electronii sau protonii. Neutrinii sunt influențați numai de forța subatomică slabă2 și de gravitație.
Neutrinii sunt creați ca urmare a unor anumite tipuri de dezintegrări radioactive sau reacții nucleare care au loc în stele, reactoare nucleare sau atunci când raze cosmice lovesc atomi. Există trei tipuri cunoscute de neutrini: electronic (νe), miuonic (νμ) și tauonic (ντ). Fiecărui tip de neutrin îi corespunde o anti-particulă, numită anti-neutrin cu o chiralitate3 opusă.
Majoritatea neutrinilor care traversează Terra provin de la Soare. Aproximativ 65 de miliarde de neutrini solari trec în fiecare secundă prin fiecare centimetru pătrat perpendicular pe direcția Soarelui în zona Pământului.
Neutrinul a fost postulat prima oară în 1930 de către Wolfgang Pauli, pentru a menține neschimbată conservarea energiei, conservarea impulsului și conservarea spinului unghiular în dezintegrarea beta. Acest lucru a fost realizat prin adăugarea unei particule încă nedetectate, pe care Pauli a denumit-o neutron, pe lângă proton și electron, ca produse deja cunoscute ale dezintegrării beta. Acesta a presupus că o particulă nedetectată purta vina pentru observarea diferențelor între energia, impulsul și spinul unghiular al particulelor inițiale și finale.
Pauli a propus inițial ca particula luminoasă să fie numită neutron. Atunci când James Chadwick a descoperit o particulă nucleară mult mai mare în 1932 și a numit-o tot neutron, asta a dus la existența a două particule cu același nume. Enrico Fermi, care a dezvoltat teoria dezintegrării beta, a născocit termenul "neutrino" (echivalentul în italiană a "cel mic neutru") în 1933, ca o metodă de a rezolva confuzia. Lucrarea lui Fermi, scrisa în 1934, a unificat neutrinul lui Pauli cu pozitronul lui Paul Dirac și modelul neutron-protonului lui Werner Heisenberg, furnizând baze teoretice solide pentru viitoarele lucrări experimentale. Cu toate acestea, revista Nature a respins lucrarea lui Fermi, susținând că teoria era "prea departe de realitate".
2. Care este viteza luminii în vid și dacă acest lucru reprezintă o noțiune categorică?
În 1972, un grup de oameni de știință de la National Institute of Standards and Technology (National Bureau of Standards, pe atunci) din Boulder, Colorado, folosind un interferometru laser, un determinat viteza luminii în vid ca fiind c = 299,792,456.2±1.1 m/s. Incertitudinea fracțională a măsurătorii acestora a fost de 3,5×10−9.
Interferometria este o metodă de aflare a lungimii de undă a radiațiilor electromagnetice, care este utilizată pentru determinarea vitezei luminii. Procedeul constă în separarea unei raze de lumină (cu o frecvență cunoscută) în două și apoi de recombinare a acesteia. Prin reglarea lungimii traiectoriei de parcurs, în timp ce se observă modelul interferențelor și se măsoară cu precizie modificările lungimii traiectoriei, poate fi determinată lungimea de undă a luminii (λ). Viteza luminii este apoi calculată folosind ecuația c = λf.
În 1983 metrul a fost definit ca fiind "lungimea parcursă de lumină în vid în decursul unui interval de timp de 1⁄299.792.458 dintr-o secundă", stabilind astfel valoarea vitezei luminii la 299.792.458 m/s.
Dacă viteza luminii în vid este constantă, este fundamental aceeași în toate direcțiile?
Teoria relativității restrânse a lui Einstein afirmă că nu există vreo diferență între fizica unui sistem de referință, față de fizica oricărui alt sistem de referință care se deplasează cu o viteză constantă relativă față de primul.
Să luăm în considerare un sistem de referință care se mișcă relativ față de noi cu jumătate din viteza luminii c către dreapta. Astfel, noi ne mișcăm către stânga cu jumătate din viteza luminii v = c/2. Dacă vom trimite o emisie luminoasă, aceasta va călători spre exterior formând un înveliș sferic. După o secundă, sfera are o rază de o secundă lumină în jurul punctului de origine. Totuși, datorită faptului că noi ne-am mișcat cu o jumătate de secundă lumină în timpul acestei secunde, lumina se află numai la o jumătate de secundă lumină spre stânga noastră. Nu a ajuns foarte departe deoarece noi am urmat-o. Pe de altă parte, lumina aflată la dreapta noastră este deja la 1,5 secunde lumină depărtare față de partea noastră dreaptă. Prin urmare, relativ față de noi, lumina se deplasează de trei ori mai repede către dreapta decât către stânga.
Ce este în neregulă aici? Probabil, unii care citesc asta au ajuns la concluzia că sunt afon în ale fizicii, dar în realitate nu este nimic greșit în ceea ce am afirmat mai sus, cu excepția faptului că exprimarea este atent structurată tocmai pentru a-i irita pe cei care pretind că înțeleg relativitatea, dar de fapt dețin doar cunoștințe superficiale în această privință. Nu știm oare cu toții că viteza luminii este aceeași pentru toată lumea? Ba da, dacă sintagma "relativ față de noi" este interpretată ca însemnând "măsurat/descris relativ față de sistemul nostru de referință într-un fel categoric". În schimb, m-am concentrat asupra esenței concrete a relativității restrânse, și anume că putem descrie fizica în orice așa-numit sistem inerțial.
3. În ce constă experimentul OPERA?
Experimentul OPERA (Oscillation Project with Emusion tRacking Apparatus) se referă la trimiterea unor fascicule de neutrini dintr-un accelerator de particule aflat la CERN către un detector de particule aflat într-o peșteră la Gran Sasso, în Italia, la o distanță de 730 de kilometri.
În cadrul experimentului, neutrinii au sosit cu 60 de nanosecunde mai devreme decât ar fi trebuit dacă ar fi călătorit cu viteza luminii în vid (c=299.792.458 m/s). Tradusă în cifre, această viteză reprezintă o depășire cu 0,00001% a vitezei luminii în vid.
4. Care sunt instrumentele de măsurare și dacă există vreo posibilitate de eroare?
Instrumentele de măsurare amplasate la CERN și la stația din Gran Sasso, includ sisteme sofisticate GPS și ceasuri atomice, care dau o eroare cumulată de 10 nanosecunde. Totuși, o eroare de măsurare în cadrul experimentului OPERA ar explica contradicția cu rezultatele prezentate la punctul 5. Deși detectorii din Italia pot indica cu o precizie de nanosecunde momentul sosirii neutrinilor, este mai dificil de precizat momentul exact la care aceștia au părăsit acceleratorul de la CERN. Problema se găsește în faptul că neutrinii sunt produși prin ciocnirea unor protoni de o țintă sub formă de bară, declanșând o cascadă de particule subatomice. Dacă neutrinii au fost produși la un anumit capăt al barei mai degrabă decât la celălalt, acest lucru ar putea complica momentul exact al plecării lor.
Unele teorii (deși, nu sunt printre favoritele mele, dar de dragul argumentației) susțin posibilitatea existenței altor dimensiuni, în afara celor patru cunoscute de noi: cele trei spațiale și timpul. Astfel, neutrinii ar putea penetra cumva aceste extra-dimensiuni (fenomenul gaură de vierme), reducând astfel distanța parcursă până la țintă. Acest lucru ar explica măsurătorile fără a fi necesar ca viteza luminii să fie depășită.
5. Există vreun experiment cu rezultate similare?
Rezultatele de la CERN contrazic înregistrarea limitei de viteză a neutrinilor, observată atunci când radiațiile supernovei SN1987A din Marele Nor al lui Magellan, aflată la 168.000 de ani lumină, au ajuns pe Terra în februarie 1987.
Supernovele sunt stele care explodează, iar o parte a energiei este emanată sub formă de neutrini. Datorită faptului că neutrinii nu prea interacționează cu materia, aceștia evadează instantaneu dintr-o stea muribundă, în vreme ce protonii luminii au nevoie de aproximativ trei ore pentru asta. În 1987, trilioane de neutrini au ajuns cu trei ore mai devreme pe Terra, înainte ca lumina stelei muribunde să fie observată.
Experimentul de la CERN nu corespunde cu măsurătorile efectuate în 1987. Dacă, într-adevăr neutrinii călătoresc cu o viteză mult mai mare decât viteza luminii, ar fi trebuit să ajungă cu vreo cinci ani mai devreme. Există și posibilitatea ca neutrinii din experimentul OPERA să fie de alt tip sau să fi avut alt fel de energie față de cei iradiați de supernova SN1987A, dar această afirmație este una extrem de speculativă.
Între 2005 și 2006, experimentul MINOS a încercat să descopere neutrini mai rapizi decât viteza luminii, dar nu a obținut date semnificative din punct de vedere statistic. Numai trei neutrini au înregistrat o viteză mai mare decât viteza luminii, viteza indicată de experimentul MINOS fiind de 1,000051 (+/- 0,000029) c.
6. În ce fel este afectată teoria relativității și dacă s-a înșelat Einstein?
În 1905 Einstein a postulat că viteza luminii în vid, măsurată de un observator care se deplasează cu o viteză constantă, este independentă de mișcarea sursei observatorului. Folosind acest lucru și principiul relativității drept punct de plecare, acesta a dedus teoria relativității restrânse, în care viteza lumini în vid c reprezintă un parametru fundamental. Acest lucru a dus la inutilitatea conceptului eterului staționar (căruia Lorentz și Poincaré îi erau încă fideli) și a revoluționat concepțiile despre spațiu și timp.
Relativitatea generală absolută
Fundalul cosmic alcătuit din microunde reprezintă un sistem de referință rămas de pe urma big bangului. Teoria relativității generale insistă că un astfel de fundal unic există în majoritatea cosmologiilor (chiar și a celor fără big bang). Astfel, teoria relativității nu numai că ne permite să folosim orice sistem de referință (Terra, nave spațiale etc), dar chiar sugerează că fundalul cosmic alcătuit din microunde poate fi ales în cazul în care dorim să intrăm în contact cu o posibilă fizică fundamentală din care se ivește relativitatea.
Pământul este legat de Soare, care la rândul sau este legat de galaxia Calea Lactee, care se deplasează cu aproximativ 600 km/s prin sistemul de referință cosmic, adică 0,2% din viteza luminii. În consecință, teoria relativității sugerează că lumina ar putea de fapt să se deplaseze aproape întotdeauna mai rapid într-o anumită direcție decât în alte direcții, în mod neîndoielnic în toate experimentele noastre terestre.
Relativitatea este despre viteza constantă a luminii și despre faptul că nu există un cadru de referință absolut, punct.
7. În ce măsură putem avea încredere în fizicienii CERN?
În această lume avidă de senzațional, nu este de mirare faptul că uneori oamenii de știință cad în mirajul faimei. De ani buni, avem o adevărată invazie de teorii, care mai de care mai bizare, cu universuri multiple, călătorii în timp, extra-dimensiuni și alte idei neortodoxe.
Totuși, să presupunem că, într-adevăr, neutrinii depășesc viteza cunoscută a luminii. Nu se poate însă afirma la fel de bine că viteza luminii, ca limită absolută de viteză în universul nostru, este această nouă barieră recent descoperită? Asta ar însemna că nimic nu s-a schimbat, pur și simplu avem o nouă limită de viteză. Și atunci pentru ce atâta zgomot? Pentru nimic. Este vechea poveste: cineva dorește să-și vadă numele prin reviste.
* Mic dicționar:
[1]spin=moment cinetic propriu al unei particule elementare.
[2]forță subatomică slabă=forță fundamentală a fizicii care guvernează interacțiunile între hadroni și leptoni (în cazul emisiilor și absorbțiilor de neutrini), responsabilă de dezintegrarea radioactivă a particulelor, numită și interacțiune slabă sau forță nucleară slabă.
[3]chiralitate=un fenomen chiral este acela care nu este identic cu imaginea sa din oglindă. Orientarea spinului unei particule poate fi utilizată pentru definirea elicității (sau chiralității) acelei particule.
*** Surse: wikipedia.org, science2.0.com, nature.com, wired.com.
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu