Учені розповіли, як перевищили швидкість світла

Павло Сивокінь, «Главред», 27.09.11 // 19:40

Науковці Швейцарії та Італії спромоглися запустити частинки нейтрино швидше за світло і тепер чекають підтвердження своїх даних з США та Японії.

Наприкінці вересня 2011 року поток нейтрино, випущений в лабораторії Європейської організації з атомних досліджень (CERN), пройшов 723 кілометри прискорювачем та прибув в італійську лабораторію на 60 наносекунд швидше за світло. Італійські вчені, які разом із французами та швейцарцями проводили екпериментальну програму OPERA, за словами професора Антоніо Ерідітато з університету Берну були шоковані.

З початку ХХ століття сучасна фізика базується на спеціальній теорії відносності, в основі якої перебуває постулат про те, що ніяка матерія чи елементарна частинка не може рухатися більше за 299,792,458 метрів на секунду, тобто швидше поширення світла у вакуумі. Фізики, які працюють на експериментальній базі Великого адронного колайдера, планують зібрати наприкінці тижня наукову конференцію, де результати дослідження будуть предствлені світовій громадскості.

Антоніо Ерідітато

За кілька років до цього в лабораторії імені Фермі в Чікаго також були отримані приблизні свідчення того, що нейтрино можуть рухатися швидше світла, проте тоді випередження складало лише 10 наносекунд, і результати дослідження звели до статистичної похибки у вимірювальних апаратах.

Тепер спеціалісти CERN планують отримати підтвердження своїм результатам, відтворивши незабаром умови останього експерименту. Також європейці запросили підтримки у вчених США та Японії, які мають менші прискорювачі елементарних частинок, аби вони підтвердили їхні дані. Поки в самому Центрі атомних досліджень заявляють, що не варто перебільшувати відкриття, адже поки тривають пошуки можливих фізичних факторів чи збоїв в роботі устаткування, які могли б призвести до таких відхилень в оцінюванні швидкості нейтрино.

Проте експерти вважають, що в разі підтвердження результатів це стане найбільшим відкриттям, яке було здійснено на колайдері. За три роки функціонування самої системи для розгону елементарних частинок учені спромоглися вийти на кілька великих відкриттів та довести існування деяких частинок, які до цього існували лише в теорії. Тепер, якщо ВАК зможе спростувати основний постулат теорії Альберта Ейнтшейна, його наукове і фінансове майбутнє буде безхмарним. А ідея конгломеризації науки та створення великих її центрів набуде нового значення. Хоча для теоретичної фізики та астрономії доведеться створювати нові теорії.

Столітня постійність    

Постулат про те, що швидкість світла є граничною для поширення сигналу в просторі, став одним із основних в доведенні Спеціальної Теорії Відносності Альберта Ейнштейна. Тоді німецький фізик Герман Лоренц зумів створити математичні доведення цієї теорії на основі релятивістського складання швидкостей.

З того часу більшість фізиків та астрономів виходили з того, що ніякий об’єкт, який має масу чи переносить в собі відносно велику енергію, не може рухатися швидше за світло. Адже, за відомою формулою Е=мс², для надання частинці прискорення, аби вона досягла швидкості світла, потрібно буде докласти безкінечно велику енергію. І тому об’єкти, які мають масу, не можуть досягти цього рубежу. За теоретичними розрахунками, існують частинки, які гіпотетично не мають маси і тому можуть досягати швидкості світла, проте вони не спроможні переносити сигнал. Ці частини називаються тахіонами.

Теорія відносності набула беззаперечного авторитету в світі науки. А кілька важливих експериментів довели, що щвидкість світла у вакуумі є постійною та граничною величиною розповсюдження елементарних частинок. З іншого боку, поряд з цією теорією сформувалася квантова фізика, яка базувалася на принципі невизначеності. За кілька десятків років науковці намагалися з’єднати ці дві теорії та отримати єдину теорему, яка б пояснювала всі особливості функціонування макро- та мікросвітів. За цей час вчені створили кілька великих теорій на основі обох учень, де намагалися злити ці постулати. Для того, аби перевірити їхню імовірність, і почали будувати прискорювачі елементарних часток. Адже завдяки розгону елементарних часток можна визначити основні взаємодії між частками і створити модель Всесвіту до Великого Вибуху, коли, за теоріями, увесь простір був дуже стиснутим та перегрітим.

Нові результати

Тому саме на одному з найбільших колайдерів - Великому адронному - було досягнуто, можливо, першого великого прориву за межі фізики відносності. Адже рух часток нейтрино у умовах, наближених до вакууму, випередив швидкість світла. В посланні, яке розповсюдив CERN, описуються основні умови експерименту. В Швейцарії фізики випустили жмуток протонів високої енергії, вони вдаряються в графітову мішень, в результаті чого виробляються елементарні частинки мезони, які продовжують летіти по прискорювачу. Через кілька мікросекунд вони розпадаються і утворюють нейтрино.

За нетривалий час нейтрино проходить усі 732 кілометри і влучає в детектор. Самі частинки найтрино дуже слабко взаємодіють з матерією, тому їх важко зафіксувати. Проте потужність заряду велика, і вчені побачили, що ці частинки випередили швидкість світла на 60 мікросекунд. Кожен сеанс викидання протонів по графіту триває 10 мікросекунд, тому важко сказати, в який саме час були запущені ці частинки, і в подібних експериментах за похибку визначають саме цю величину. Раніше на ймовірне випередження швидкості світла не звертали уваги, але тепер випередження становить в шість разів більше.

На думку аналітиків журналу Nature, зараз важко робити висновки з приводу того, чи є ці відкриття справді переворотом в сучасній фізиці. Адже можливість існування тахіонів, часток, які рухаються швидше світла, вже передбачалася.

Крім того, більшість спостережень, які проводилися з нейтрино, поки не показували, що ці частинки можуть обганяти світло. Так в 1987 році під час вибуху зірки SN1987A був зареєстрований потік нейрино. Проте тоді його випередження спалаху зірки було не таким великим, хоча відстань між Землею та SN1987A складала 170 тисяч світових років. Отже при швидкості вище світла потік нейтрино мав прийти набагато раніше за саме світло від вибуху.

Тому багато експертів вважають, що зараз треба підтвердити ці дані CERN новими експериментами, і вже тоді можна говорити про те, що підходи до теорії відносності мають бути змінені.

З іншого боку, багато вчених вважають, що ці дані не можуть призвести до того, що треба буде зовсім відкинути теорію відносності. Можливо, потрібно буде переглянути поняття вакууму чи сталості швидкості світла взагалі. Проте для цього потрібні будуть нові грунтовні дослідження.

фото: cdsweb.cern.ch, krsnovels.com, retedue.rsi.ch