relativity

Neutrina rychlejší než světlo?

pavelkabrt Vesmír, astronomie Napsat komentář

Bude potřeba přehodnotit teorii relativity?

Jonathan Sarmati

(Z creation.com/neutrinos faster than light přeložil M. T. – 9/2011. Publikováno 11. října 2011.)

Na titulních stránkách novin se to hemžilo zprávami o tom, že u neutrin byla naměřena rychlost vyšší než je rychlost světla, i daleko senzačnějšími výroky jako třeba „Einsteinova teorie odrovnána novým objevem“ (1). Prolomila však neutrina opravdu hranici rychlosti světla, a vyplývá z toho něco pro kreační modely?

Pokus

Řídicí středisko CERN

Badatelé v CERN (Švýcarsko) generovali neutrina (Co to jsou neutrina viz na konci článku), přízračné neutrální částice, a vystřelili je zemí do Národní laboratoře Gran Sasso (LNGS) v Itálii; neutrina tak cestovala vzdálenost 732 km. Byl to experiment „Neutrina z CERN do Gran Sasso“ (CNGS); také se mu říká projekt Opera (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Jeho cílem bylo pozorování neutrinových „oscilací“ mezi třemi podobami neboli „příchutěmi“ (viz Co to jsou neutrina na konci článku). Konkrétně tento experiment generoval typ tzv. „mionových neutrin“, a experimentátoři doufali, že budou pozorovat, jak se mění na „tau neutrina“ (2).

Avšak to, co vědci pozorovali, byla neočekávaná skutečnost: neutrina zřejmě přistála na detektorech o 60 nanosekund rychleji než světlo (3, 4), což znamenalo, že cestovala o 0.0025% rychleji než světlo, neboli o jednu čtyřicetitisícinu rychleji (5). Einsteinova teorie relativity s něčím takovým nepočítá. Brian Cox, televizní moderátor a fyzik, kterému jsme odpovídali v televizním programu Doom and gloom from the BBC, řekl:

  • „Bude-li to potvrzeno, bude to největší fyzikální objev přinejmenším za posledních 100 let. Budou s tím značné problémy, vyžaduje to naprosté a zásadní přehodnocení našeho chápání vesmíru…jde o tak převratný objev, že se to člověku ani nechce věřit (6).

Člověku to připadá jako příliš nepatrný rozdíl, tato skutečnost však stejně předčila svým významem nejistoty, které kolem pokusů tohoto typu běžně panují. Zdá se totiž, že tentokrát vědci prováděli své analýzy velmi pečlivě. Jeden doktor fyzikálních věd z Austrálie, John Costella, si nejprve myslel, že se spletli ve statistické analýze, pak však uznal, že jeho pochyby nemají opodstatnění, a statistickou analýzu pochválil (7).

Přece však Costella volal po maximální obezřetnosti:

  • „výsledek pokusu OPERA – vejde-li se do mezí tolerance systémových chyb a bude-li následně potvrzen budoucími pokusy – se podle všeho stane nejdůležitějším objevem ve fyzice za zhruba uplynulé století.“ [zvýrazněno autorem tohoto článku]

Je třeba ocenit, že i sami badatelé z CNGS byli ve svých závěrech rovněž opatrní:

  • „Přestože měření, o kterých informujeme, mají velký význam, a analýza neprokázala žádné chyby, motivuje nás možný významný dopad našeho objevu k tomu, abychom pokračovali ve svém ověřování s cílem prostudovat možné zatím neznámé systémové vlivy, které by mohly vysvětlit pozorovanou anomálii. Úmyslně se proto vyhýbáme jakýmkoli teoretickým či fenomenologickým interpretacím dosavadních výsledků.“

Moc paradigmatu

Máme zde před očima příklad toho, o čem fyzik a filozof vědy Thomas Kuhn psal ve své slavné knize The Structure of Scientific Revolutions (Struktura vědeckých revolucí): běžná věda se obvykle pohybuje v mezích daných výchozími předpoklady neboli paradigmaty. V tomto případě je takovým paradigmatem Einsteinova speciální a obecná teorie relativity.

Skuteční vědci nemají sklon k naivní falzifikovatelnosti nabízené Popperem a neházejí své teorie přes palubu okamžitě, jak se objeví jeden protichůdný výsledek. Tohle je vlastně zdravý dogmatizmus: i když žádná vědecká teorie není neomylná, ze stejného důvodu není neomylný ani žádný pokus. Jedna zpráva citovala několik skeptických vědců:

  • „No, je to možné, ale daleko pravděpodobnější je, že se stala chyba v měřeních. Potvrdí-li se pravdivost pokusu CERN a neutrina prolomila rychlost světla, sním své boxerky v přímém televizním přenosu.“, řekl prof. Jim Al-Khalili, profesor fyziky na univerzitě v Surrey, pro The Telegraph.
  • „Své pochyby vyjádřil i prof. Stephen Hawking, nejznámější světový fyzik, když prohlásil: ‚Je zatím příliš brzy se k tomu vyjadřovat. Musíme pokračovat v pokusech a ověřování výsledků‘“ /8/.

Tak už to ve světě chodí: převratná tvrzení vyžadují zvlášť nezvratné důkazy. Obě teorie relativity obstály ve všech ověřovacích pokusech a předpověděly velmi důležité poznatky, takže by nebylo rozumné opustit je po neúplně ověřených výsledcích jednoho pokusu.

„Je to možné, ale je daleko pravděpodobnější, že jde o chybu v datech. Potvrdí-li se pravdivost pokusu CERN a neutrina prolomila rychlost světla, sním v živém TV přenosu své boxerky.“ — profesor fyziky na univerzitě v Surrey, Jim Al-Khalili.“

Navíc svědčí dřívější měření rychlosti neutrin o tom, že létají rychlostí velmi blízkou rychlosti světla. Například v souvislosti s pozorováním supernovy SN 1987A byla rychlost neutrin pozorována o jednu 450milióntinu nižší než rychlost světla (9). A to ještě tenhle malý rozdíl připisovali tomu, že světlo je brzděno hmotou, kdežto naše přízračná neutrina s hmotou prakticky neinteragují. Kdyby pak neutrina létala skutečně tak rychle, jak ukázal pokus CERN, pak za obvyklé podmínky, že zdolání vzdálenosti jednoho světelného roku trvá světlu rok (což je ovšem, jak známo, sporné – 10), dolétla by neutrina ze zmíněné supernovy o 4 roky dřív (11). Avšak pokus CNGS vyprodukoval neutrina se zhruba tisícinásobně vyšší energií než měla neutrina zmíněné supernovy (12). Proč by pouze neutrina s energií vyšší než je určitá mez měla být rychlejší než světlo, zůstává záhadou. Někteří teoretici však přišli s myšlenkou hypotetického neutrinového kondenzátu, který by umožňoval jistým neutrinům získat skutečnou rychlost nad c (13). Ovšem zase jiní teoretici nadsvětelná neutrina odmítají, jak vysvětlují v článku zveřejněném poté, co náš článek už byl skoro hotov:

  • V pádném a rezolutně vyznívajícím článku na internetu 29. září propočítávají Andrew Cohen a Sheldon Glashow z Bostonské univerzity, že případná neutrina letící rychleji než světlo by vyzařovala energii a zanechávala by za sebou brázdu pomalejších částic podobnou rázové vlně za nadzvukovou stíhačkou. Jejich závěry vrhají stín pochybností na pravdivost měření oznámených nedávno v CERN, která zaregistrovala neutrina letící trochu rychleji než světlo (13).

Vyvrátilo by to relativitu?

Jak už jsme shora naznačili, porota se ještě věnuje pokusům. Ale předpokládejme, že pokus byl potvrzen a prokázalo se, že se věci mají skutečně tak, jak bylo oznámeno. Co by to znamenalo? No, vcelku žádný tak zásadní převrat, jaký si mnozí lidé představují. Ve skutečnosti totiž relativita zakazuje částicím zrychlit nad hranici světla, protože by k tomu potřebovaly nekonečné množství energie. Existují však teorie o částicích rychlejších než světlo zvaných tachyony (z řeckého: ταχύς – tachys = rychlý), které by už vznikly ve svém stavu rychlejším než světlo. Pro ně by tedy zmíněné omezení neplatilo. Kromě toho by tachyony nemohly překročit hranici světla zase ze své druhé strany, takže princip relativity nepadá: uvedená hranice stojí. Námitka vůči tachyonům spíše zní, že by cestovaly v čase zpět, takže by nám eventuálně umožnily vyslat signály do minulosti. To by ovšem odporovalo zásadě, že příčina předchází účinku. Na druhé straně, jak vysvětlil Dr Costella v jiném článku, dobře známe antičástice, a jedním z jejich výkladů je, že jde o běžné částice cestující zpět v čase (14). Opět jiní teoretikové navrhli vysvětlení, které neodporuje zákonu kauzality (15).

Neutrina rychlejší než světlo_Koule vědy.jpg

Adam Nieman. Koule vědy a novátorství v CERN.

Ale vraťme se do běžného světa a připomeňme si, co se stalo s Newtonovými zákony, když se setkaly s relativitou a kvantovou mechanikou. Zůstávají samozřejmě mimořádně užitečné pro většinu účelů, takže se na ně stále při spoustě problémů můžeme spolehnout. Při vysokých rychlostech a velké přitažlivosti musíme však místo nich použít rovnice relativistické a pro velmi nízké hmotnosti kvantovou mechaniku. Dále je třeba zdůraznit, že rovnice relativity se musí zhroutit, kdybychom je měli aplikovat při běžných rychlostech – tam platí rovnice Newtonovy a navíc fungují podle všeho velmi dobře. Podobně se musí rovnice kvantové mechaniky při běžných hmotnostech (mnohonásobně větších než jsou hmotnosti atomů) upravit podle rovnic klasické fyziky.

Podobně je tedy velmi pravděpodobné, že relativistické rovnice se stále osvědčí jako užitečné, i když je budeme muset zpřesnit tam, kde půjde o neutrina, možná podle nějaké fyziky, která se teprve vyvine. Podobně Moshem Carmelim upravená relativita pro vzdálenosti u galaxií (16) ponechává většinu aplikací u běžných vzdáleností beze změny.

Využití pro kreacionisty?

Z nového objevu se můžeme poučit v několika málo ohledech. Zdá se, že jedním z nich NENÍ řešení problému světla přicházejícího od vzdálených hvězd: jejich nepatrný význam pro vysokoenergetická neutrina mnoho nepomůže; naštěstí existují i jiné návrhy řešení (10). Je však nutno poznamenat, že když v 70. letech 20. století někteří kreacionističtí vědci přišli s myšlenkou, že se světlo pohybovalo mnohem rychleji než dnes, byli napadáni pro své údajné nevědomosti o tom, že nic se nemůže pohybovat rychleji než světlo v hodnotě své rychlosti dnešní (17). A teď spousta vědců klidně postuluje teoretické tachyony, a někteří uvažují o tom, že se světlo v minulosti pohybovalo mnohem rychleji, aby zachránili velký třesk před problémem horizontu událostí (18).

„Vědci mohou klidně kritizovat relativitu, a zdravá debata je považována za zdravou i u těch vědců, kteří s článkem CNGS nesouhlasí. Naopak odpůrci evoluce jsou běžně umlčováni nebo je snižováno jejich ohodnocení.“

Jedním z těch zásadnějších tvrzení je jejich celkový postoj k paradigmatu: argumenty kreacionistů jsou často předem odmítány, protože jsou v rozporu s vládnoucím způsobem myšlení, s evolucionistickým materializmem. Hlavní rozdíl je ovšem v tom, že vědci mohou klidně kritizovat relativitu, a zdravá debata je považována za zdravou i u těch vědců, kteří nesouhlasí s článkem CNGS. Naopak odpůrci evoluce jsou běžně umlčováni nebo je snižováno jejich ohodnocení. Dokumentoval to například film Expelled (Vyloučeni) i kniha Dr Jerryho Bergmana Likvidace disidentů.

Jedním z důvodů takového rozdílného přístupu je fakt, že evoluce je věroukou o počátcích, o historii, a není možné ji ověřovat pokusy, zatímco rychlost neutrin pokusně ověřit lze.

Avšak hlavním důvodem odlišnosti obou přístupů je fakt, že relativita neklade na své zastánce žádné etické požadavky, zatímco platí-li kreacionistické pojetí, znamená to patrně, že jsme odpovědní svému Stvořiteli! A to přední evolucionisté neradi slyší. Filozof Thomas Nagel je upřímnější než většina ostatních:

  • „Chci, aby ateismus byl pravdou, a fakt, že někteří nejinteligentnější a dobře informovaní lidé, které znám, jsou nábožensky věřící, je pro mne znepokojující. Nejde jen o to, že prostě nevěřím v Boha a tudíž přirozeně doufám, že žádný Bůh neexistuje! Já nechci, aby nějaký Bůh existoval; nechci vesmír, který by podle toho vypadal.“ (19).

Závěrem lze říci, že výsledky tohoto pokusu jsou fascinující vědou, ale prakticky se to vůbec netýká kreacionistické vědy, kromě toho, že to dokládá, jak vědci doopravdy pracují, bez ohledu na tajemné vědecké definice.

Co to jsou neutrina?

Tuto částici poprvé předpověděl Wolfgang Pauli roku 1930, aby vysvětlil, proč beta-rozpad zdánlivě porušuje fyzikální zákony. Znamená to, že když se neutron rozpadl na proton a elektron (beta částici), zdálo se, že přitom byly porušeny zákony zachování impulzu, momentu hybnosti a energie. Aby tenhle problém vyřešil, navrhl Pauli nepatrnou neutrální částici, kterou Enrico Fermi později pojmenoval „neutrino“, a to vysvětlilo pozorované rozdíly ve zmíněných veličinách.

Ukázalo se však, že neutrina lze jen velmi nesnadno zachytit. Protože interagují jen se „slabou jadernou silou“ s krátkým dosahem, běžná hmota je pro ně téměř průhledná. Teprve roku 1956 bylo neutrino zachyceno v průběhu shora popsané reakce, ale v obráceném pořadí kroků: vědci zachytili neutrino, jak mimořádně jednou reaguje s protonem a vytváří neutron a pozitron. A teprve za čtyřicet let od tohoto objevu za něj vědci dostali roku 1995 Nobelovu cenu za fyziku.

Ve skutečnosti pozdější standardní modely částicové fyziky říkají, že svrchu zmíněné částice byly antineutrony, vzhledem k zákonu zachování leptonového čísla (leptony znamenají malé částice) (20). Jak elektrony tak neutrina mají leptonové číslo +1, zatímco jejich protějšky v antihmotě, pozitron (antielektron) a antineutron, mají leptonové číslo -1. Takže vzniká-li elektron (+1), jako třeba při beta-rozpadu a štěpení jádra, musí zároveň vzniknout antineutrino (-1); zatímco při kladném beta-rozpadu a jaderné fúzi vznikají pozitrony (-1) a s nimi i neutrina (+1), takže celkové leptonové číslo /0/ je nezměněno. Nebo při detekční reakci, antineutrino (-1) plus proton vytváří neutron plus pozitron (-1).

Pak byly objeveny další leptony kromě elektronu: částice mion (mion μ) a částice tauon (tauon τ) – těžší a velmi nestabilní verze elektronu. Ukázalo se, že i ony mají své antineutrinové protějšky.

Dlouho tvrdily standardní modely částicové fyziky, že neutrina mají přesně nulovou klidovou hmotnost, takže by měly létat přesně rychlostí světla, c. To však způsobilo problém pro teorie energetického výkonu slunce: je-li jaderná fúze jediným zdrojem slunečního záření, pak produkuje jenom třetinu celkového počtu neutrin – „problém slunečních neutrin“. Zdálo se však, že řešení se nabízí ve faktu, že neutrina mohou „oscilovat“ mezi třemi „příchutěmi“: elektronovým neutrinem, mionovým neutrinem a tauonovým neutrinem (21). Ale pak by musela neutrina mít v rozporu se standardními modely nějakou hmotnost. Nejnovější odhady celkové hmotnosti všech tří druhů neutrin činí méně než 0.28 eV (elektronvoltů) (22). Abychom si udělali představu, elektron je dvoumilionkrát těžší – 0.511 eV, zatímco proton je 1836krát hmotnější než elektron s 938 MeV.

Pokus OPERA byl původně určen k pozorování oscilace neutrin, jak napovídá jeho název. Generoval svazky mionových neutrin, které byly vyslány skrze zemi, a vědci doufali, že některá mionová neutrina se změní v neutrina tauonová, která pak budou reagovat s neutronem a vytvoří proton plus tauon. A tenhle tauon se projeví jasně rozlišitelným signálem.

Odkazy

1. Particles seen to travel faster than light, www.news.com.au, 23 September 2011.
2. CNGS – CERN neutrinos to Gran Sasso: On the track of particle ‘chameleons’, public.web.cern.ch, 2008.
3. Adam, T. et al., Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, static.arxiv.org/pdf/1109.4897.pdf, accessed 29 September 2011.
4. A useful account comes from a NASA engineer, Laughlin B., Neutrinos and the Speed of Light — A Primer on the CERN Study, wired.com, 26 September 2011.
5. The time difference was (60.7 ± 6.9 (stat.) ± 7.4 (sys.)) ns, implying that the fractional difference between neutrino speed and light speed (v − c)/c = (2.48 ± 0.28 (stat.) ± 0.30 (sys.))×10−5 or 0.00248%.
6. Nair, D., Particles Faster-Than-Light: Most Embarrassing Claim of Modern Science Ever? ibtimes.com, 24 September 2011.
7. Costella, J.P., Why OPERA’s claim for faster-than-light neutrinos is not wrong, johncostella.wordpress.com/, 25 September 2011.
8. Nair, op. cit.
9. Adam et al., op. cit. provide the following references: Hirata, K. et al., Phys. Rev. Lett. 58:1490, 1987; Bionta, R.M. et al., Phys. Rev. Lett. 58:1494, 1987; Longo, M.J., Phys. Rev. D 36:3276, 1987.
10. Big bang advocates know full well that it is not, since they have their own Horizon Problem. See Creation Answers Book ch. 5: How can we see distant stars in a young universe?
11. SN 1987A is 168,000 light years away; 168,000 × 2.48×10−5= 4.2 years.
12. 17 GeV vs. 10 MeV.
13. Mann, R.B. and Sarkar, U., Superluminal neutrinos at the OPERA? arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1109/1109.5749v1.pdf, 27 September 2011: “It is natural to ask why neutrinos are different from other particles. One reason emerges from the observation that if neutrinos form condensates to explain the cosmological constant [ref.], background neutrino condensate dark energy can, in principle, affect the dynamics of the neutrinos compared to other particles. For example, a νµ with momentum p can collide with a condensate [anti-]νµ−νµ pair and bind with the [anti-]νµ. The liberated νµ, located at a distance x away from its condensate partner, will continue with momentum p due to momentum conservation. As this process is repeated, the net effect is that the νµ “hops” through the condensate at an effective speed greater than unity, resulting in a different maximum attainable velocity for the neutrinos. Since no other particles couple to the νµ, they do not experience this effect.”
14. Costella, J.P., Do OPERA’s tachyonic neutrinos make sense? johncostella.wordpress.com/, 27 September 2011.
15. Mann and Sarkar, op. cit.: We argue that the recent measurement of the neutrino velocity to be higher than the velocity of light could be due to violation of Lorentz invariance by the muon neutrinos. This result need not undermine special-relativistic foundational notions of causality.
16. Hartnett, J., A 5D spherically symmetric expanding universe is young, J. Creation 21(1):69–74, 2007; Has ‘dark matter’ really been proven? Clarifying the clamour of claims from colliding clusters, 8 September 2006.
17. There are problems, but this is not one of them. See for example Wieland, C., Speed of light slowing down after all? Famous physicist makes headlines, J. Creation 16(3):7–10, 2002; creation.com/cdk.
18. Albrecht, A. and Magueijo, J., Time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles, Physical Review D (Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology) 59(4):043516-1–043516-13, 1999; Magueijo, J., Faster Than The Speed of Light: The Story of a Scientific Speculation. Basic Books, 2003. They propose that light was 60 orders of magnitude faster in the very early stages of the big bang.
19. Nagel, T., The Last Word, Oxford University Press, New York, 1997, p. 130.
20. The word originally referred to a small coin. The ‘widow’s mite’ mentioned in Mark 12:42 would have been a lepton. See Cardno, S. and Wieland, C., Clouds, coins and creation: An airport encounter with professional scientist and creationist Dr Edmond Holroyd, Creation 20(1):22–23, 1997; creation.com/holroyd.
21. Lisle, J., ‘Missing’ neutrinos found! No longer an ‘age’ indicator, J. Creation 16(3):123–125, 2002; creation.com/neutrinos.“Neutrinos are likely half as massive as previous estimates suggested”, sciencedaily.com, 12 July 2010.
22. Castelvecchi, D., Superluminal Neutrinos Would Wimp Out En Route, blogs.scientificamerican.com, 2 October 2011.

Komentujte

Please Přihlásit to comment
  Subscribe  
Upozornit na