Hihetünk-e a fizikusnak?

Fotó: profimedia

Az OPERA kísérlet a CERN és az olaszországi Gran Sasso Laboratory (LNGS) közös projektje, melynek frontvonalában a neutrínóoszcilláció jelenségének vizsgálata áll. Az OPERA kísérletet a müon-neutrínók tau-neutrínóvá történő átalakulásának kutatására tervezték. A neutrínók amellett, hogy semlegesek, véges, azaz nem nulla tömeggel is rendelkeznek (ezt a neutrínó-oszcilláció jelenségének elméleti leírása követeli meg). Mint tömeggel rendelkező részecskék, a speciális relativitáselmélet értelmében csakis a fénysebességnél alacsonyabb sebességgel haladhatnának – ezt azonban az OPERA kísérlet eredménye cáfolni látszik. De honnan következik, hogy semmi sem haladhat gyorsabban a fénynél?

E kérdés megválaszolásához utazzunk vissza az 1900-as évek elejére! Ekkortájt már létezett az elektromágneses terek Maxwell-féle elmélete, és éppen ez volt az, ami komoly fejtörést okozott az akkori kutatóknak. A Maxwell-féle elmélet ugyanis ellentmondani látszott a klasszikus mechanika egyik legalapvetőbb feltevésével, a Galilei-féle relativitási elvvel. A Galilei-féle relativitási elv azt a nyilvánvaló elképzelést mondja ki, mely szerint a fizikai törvények alakja független attól, hogy mely koordinátarendszerben írjuk fel őket. Attól tehát, hogy egy űrhajó röppályáját nem a Földhöz, hanem mondjuk a Marshoz viszonyítva írjuk le, az űrhajónak még ugyanazoknak a fizikai törvényeknek kell engedelmeskednie.

Amennyiben a klasszikus mechanikára alkalmazzuk a Galilei-féle relativitási elvet, eljutunk az ún. Galilei-transzformációhoz, mely megmondja, hogy miként kell az egyik koordinátarendszerben felírt törvényeket átszámítani egy másik koordinátarendszerbe, úgy, hogy eközben a fizikai törvények alakja ne változzék. Ugyanezt a transzformációt az elektromágneses terek Maxwell-féle elméletére alkalmazva azonban a törvények alakja megváltozott. Úgy tűnt tehát, hogy az elektromágneses tér törvényei függenek attól, hogy milyen koordinátarendszerben tekintjük azokat. Ilyen esetben a következő három megoldás közül választhatunk: vagy a Galilei-féle relativitási elv nem igaz, vagy a Maxwell-féle elmélet helytelen, esetleg a klasszikus mechanika törvényei rosszak.

Számtalan olyan kísérlet született, melyek ezt a kérdést igyekeztek tisztázni. Ezek közül az egyik legismertebb a Michelson–Morley-kísérlet, melynek eredménye arra az elkerülhetetlen következtetésre vezetett, hogy a több száz éve helyesnek vélt newtoni mechanika törvényeivel van a probléma. Albert Einstein volt az, aki 1905-ben korrigálta Newton törvényeit, figyelembe véve a Michelson–Morley-kísérlet eredményét is.

Einstein speciális relativitáselmélete két hipotézisre épült: egyrészt továbbra is igaz a Galilei-féle relativitási elv, azaz a fizika törvényei függetlenek attól, hogy mely koordinátarendszerben írjuk azokat fel. Más részről azzal a kevésbé nyilvánvaló feltételezéssel élt, miszerint a fény minden koordinátarendszerben azonos sebességgel halad. Ez utóbbi feltételezést alátámasztotta például a Michelson–Morley-kísérlet is. Ebből a két feltevésből minden önkénytől mentesen levezethető, hogy létezik egy határsebesség, melyet semmilyen anyagi részecske sem léphet túl. Azt már az elektromágneses tér Maxwell-féle elméletéből, valamint kísérleti tapasztalatainkból tudjuk, hogy ez a határsebesség éppen a fény sebessége.

A speciális relativitáselmélet feltevéseinek helyességét, valamint azok következményeit a huszadik század során számtalan kísérlet igazolta, némelyek igazán elképesztő pontossággal.

Az OPERA kísérlet során a kutatók a CERN Szuper Proton Szinkrotron (SPS) gyorsítógyűrűjéből származó protonok segítségével keltettek neutrínókat, melyeket azután az Olaszországban található Gran Sasso Laboratórium felé irányítottak. Minthogy a neutrínók elektromosan semlegesek, és a tömegük is rendkívül csekély, továbbá az erős kölcsönhatásban sem vesznek részt, így szinte akadálytalanul képesek áthaladni bármilyen anyagon, így a Földön is. Ez tette lehetővé, hogy a Svájcban keltett neutrínókat Olaszország felé irányítva, azok a földkérget átszelve akadálytalanul megérkezhessenek a Gran Sasso Laboratórium neutrínó-detektoraiba.

A kutatók kifejtik leírásukban,  hogy a két laboratórium közötti 730 km-es távolságot műholdas mérések alapján 20 cm-es pontossággal, míg a neutrínók repülési idejét néhány nanomásodperces precizitással lehetséges megmérni. Az időmérést tovább nehezíti az a tény, hogy a létrejövő neutrínók pontos keltési időpontját nem ismerjük, azonban a protonok bomlási idejének eloszlása már mérhető, és ezek alapján kellően nagyszámú esemény esetén a neutrínók pontos repülési ideje meghatározható. A számításokhoz felhasznált statisztika 16111 neutrínó-eseményt tartalmazott, minek következtében a mérés statisztikus bizonytalansága kellően alacsony volt ahhoz, hogy a mérendő mennyiséget a szükséges pontossággal meghatározhassuk. A mérések alapján megállapították, hogy a neutrínók 60,7±14,3 nanomásodperccel előbb érkeztek meg, mintha fénysebességgel haladtak volna, s ez valóban szignifikáns eltérésnek tekinthető.

A kutatók ugyanakkor óvatosságra intenek beszámolójuk végén, és további vizsgálatokat javasolnak, “a felfedezés lehetséges rendkívüli hatása miatt”. Emellett elzárkóznak mindennemű elméleti magyarázattól is, a tájékoztatás célja pusztán a tények közlése, és ezek megvitatása.

Több komoly érv is van azonban, mely kételkedővé tehet bennünket a kísérleti eredmények hallatán. Az egyik legsúlyosabb ellenérv az 1987-ben felrobbant SN1987A szupernova esete. Ekkor ugyanis az összeroppanás során keletkezett neutrínók közel egyidejűleg érkeztek meg a robbanás fényével a tőlünk 168 ezer fényévnyire lévő objektumról. Ha a neutrínók az OPERA kísérletnek megfelelően valóban gyorsabbak lennének a fénynél, úgy évekkel korábban kellett volna megérkezniük, mint a robbanás fénye, ilyet viszont nem tapasztaltunk.

Nincs azonban mitől félnünk. Ha ugyanis az OPERA kísérlet eredményei helyesnek bizonyulnának, még akkor sem kellene az összes eddigi tudásunkat kidobni, mert a speciális relativitáselmélet továbbra is alkalmazható marad majd abban a felhasználási körben, ahol manapság is nap mint nap használják. A helyzet ahhoz lenne hasonlatos, mint ami száz éve történt: korrigálnunk kellene a speciális relativitáselmélet feltevésein, hogy valami teljesebb lépjen azok helyébe. Ez azonban – mondhatni – a világ rendje, bizonyos törvényeket időnként ki kell terjesztenünk újabb és újabb területekre, ehhez pedig módosítani és korrigálni kell őket. A fizika még nem ért a végére, a tudósok ezt jól tudják, így nyitottak minden újra. Egy ilyen hatással bíró jelenséget azonban több szemszögből is meg kell vizsgálnunk, mielőtt elfogadjuk létét, hogy azután senki se kételkedhessen benne. A józan ész tehát türelemre int. S hogy hihetünk-e a fizikusnak? Nos, én úgy hiszem, a válasz továbbra is igen, még akkor is, ha néha esetleg felül kell bírálnunk korábbi elképzeléseinket.

Írta: Kalmár Gergely