Borbála, Barbara, János2020. december 04., péntek
Tudomány

Hihetünk-e a fizikusnak?

National Geographic Magyarország

A napokban újra felpezsdült az élet a CERN körül: az OPERA kísérletben ugyanis a fizikusok a neutrínók sebességére a fényénél nagyobb sebességet mértek. De vajon mennyire meggyőzőek a bizonyítékok? És valóban minden a feje tetejére áll majd?

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.

A neutrínófizika alapjai

A neutrínók felfedezéséhez a radioaktív béta-bomlás vizsgálata vezetett. A béta-bomlás folyamatának két típusa létezik: a negatív, valamint a pozitív béta-bomlás, attól függően, hogy a bomlás során az atommag negatív töltésű elektront, avagy pozitív töltésű pozitront bocsát ki. A kutatók a béta-bomlás vizsgálata közben arra lettek figyelmesek, hogy a bomlás után az új atommag és az elektron összenergiája kevesebb, mint az elbomlott atommag összenergiája volt, továbbá az impulzus- és az impulzusmomentum-megmaradás törvénye is sérülni látszott.

Wolfgang Pauli mutatta meg 1930-ban, hogy amennyiben az elektron mellett egy másik, semleges részecske is keletkezik, a megmaradási törvények újfent kielégülhetnek. Közel három évtizeddel később, 1956. júliusában Clyde Cowan és Frederick Reines kutatócsoportjának sikerült kísérletileg is kimutatnia ezt a részecskét (melyet időközben neutrínónak neveztek el). Ezért a felfedezéséért F. Reines 1995-ben Nobel-díjat kapott.

A neutrínóknak több fajtája létezik, attól függően, hogy elektronnal, müonnal, vagy tau-részecskével együtt keletkeznek. Ezek alapján megkülönböztetünk elektron-neutrínót, müon-neutrínót, valamint tau-neutrínót. A Napból a Földre jutó neutrínók számának és típusának vizsgálatából az is kiderült, hogy a különböző típusú neutrínók képesek átalakulni egymásba, ezt a jelenséget nevezzük neutrínó-oszcillációnak.

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

Hozzászólások

Épül az ország legnagyobb közösségi asztrofotós távcsöve

Épül az ország legnagyobb közösségi asztrofotós távcsöve

A Pest megyei Sülysápon épül az ország első, nagy teljesítményű, asztrofotós célokat kiszolgáló csillagászati távcsöve.

Laboratóriumban előállított csirkehús

Laboratóriumban előállított csirkehús

Szingapúr a világon elsőként engedélyezte laboratóriumi körülmények között előállított csirkehús értékesítését - írja az MTI a BBC News cikke alapján.

Sikeresen landolt a kínai mintagyűjtő holdszonda

Sikeresen landolt a kínai mintagyűjtő holdszonda

A Csang'e 5 szonda hamarosan kőzetmintákkal térhet vissza a Holdról.

Elkészült az univerzum atlasza

Elkészült az univerzum atlasza

Egy ausztráliai teleszkóp 300 órán át vizsgálta az éjszakai égboltot.

Az élményajándékot jobban értékelik a gyerekek

Az élményajándékot jobban értékelik a gyerekek

Ahogy a gyerekek nőnek, egyre jobban örülnek az élményajándéknak a tárgyak helyett - ezt állapította meg az Illinois Egyetem chicagói intézményének kutatása.

National Geographic 2020. novemberi címlap

Előfizetés

A nyomtatott magazinra,
12 hónapra

11 160 Ft

Korábbi számok

National Geographic 2010. januári címlapNational Geographic 2010. februári címlapNational Geographic 2010. márciusi címlapNational Geographic 2010. áprilisi címlapNational Geographic 2010. májusi címlapNational Geographic 2010. júniusi címlapNational Geographic 2010. júliusi címlapNational Geographic 2010. augusztusi címlapNational Geographic 2010. szeptemberi címlapNational Geographic 2010. októberi címlapNational Geographic 2010. novemberi címlapNational Geographic 2010. decemberi címlapNational Geographic 2011. januári címlapNational Geographic 2011. februári címlapNational Geographic 2011. márciusi címlapNational Geographic 2011. áprilisi címlapNational Geographic 2011. májusi címlapNational Geographic 2011. júniusi címlapNational Geographic 2011. júliusi címlapNational Geographic 2011. augusztusi címlapNational Geographic 2011. szeptemberi címlapNational Geographic 2011. októberi címlapNational Geographic 2011. novemberi címlapNational Geographic 2011. decemberi címlapNational Geographic 2012. januári címlapNational Geographic 2012. februári címlapNational Geographic 2012. márciusi címlapNational Geographic 2012. áprilisi címlapNational Geographic 2012. májusi címlapNational Geographic 2012. júniusi címlapNational Geographic 2012. júliusi címlapNational Geographic 2012. augusztusi címlapNational Geographic 2012. szeptemberi címlapNational Geographic 2012. októberi címlapNational Geographic 2012. novemberi címlapNational Geographic 2012. decemberi címlapNational Geographic 2013. januári címlapNational Geographic 2013. februári címlapNational Geographic 2013. márciusi címlapNational Geographic 2013. áprilisi címlapNational Geographic 2013. májusi címlapNational Geographic 2013. júniusi címlapNational Geographic 2013. júliusi címlapNational Geographic 2013. augusztusi címlapNational Geographic 2013. szeptemberi címlapNational Geographic 2013. októberi címlapNational Geographic 2013. novemberi címlapNational Geographic 2013. decemberi címlapNational Geographic 2014. januári címlapNational Geographic 2014. februári címlapNational Geographic 2014. márciusi címlapNational Geographic 2014. áprilisi címlapNational Geographic 2014. májusi címlapNational Geographic 2014. júniusi címlapNational Geographic 2014. júliusi címlapNational Geographic 2014. augusztusi címlapNational Geographic 2014. szeptemberi címlapNational Geographic 2014. októberi címlapNational Geographic 2014. novemberi címlapNational Geographic 2014. decemberi címlapNational Geographic 2015. januári címlapNational Geographic 2015. februári címlapNational Geographic 2015. márciusi címlapNational Geographic 2015. áprilisi címlapNational Geographic 2015. májusi címlapNational Geographic 2015. júniusi címlapNational Geographic 2015. júliusi címlapNational Geographic 2015. augusztusi címlapNational Geographic 2015. szeptemberi címlapNational Geographic 2015. októberi címlapNational Geographic 2015. novemberi címlapNational Geographic 2015. decemberi címlapNational Geographic 2016. januári címlapNational Geographic 2016. februári címlapNational Geographic 2016. márciusi címlapNational Geographic 2016. áprilisi címlapNational Geographic 2016. májusi címlapNational Geographic 2016. júniusi címlapNational Geographic 2016. júliusi címlapNational Geographic 2016. augusztusi címlapNational Geographic 2016. szeptemberi címlapNational Geographic 2016. októberi címlapNational Geographic 2016. novemberi címlapNational Geographic 2016. decemberi címlapNational Geographic 2017. januári címlapNational Geographic 2017. februári címlapNational Geographic 2017. márciusi címlapNational Geographic 2017. áprilisi címlapNational Geographic 2017. májusi címlapNational Geographic 2017. júniusi címlapNational Geographic 2017. júliusi címlapNational Geographic 2017. augusztusi címlapNational Geographic 2017. szeptemberi címlapNational Geographic 2017. októberi címlapNational Geographic 2017. novemberi címlapNational Geographic 2017. decemberi címlapNational Geographic 2018. januári címlapNational Geographic 2018. februári címlapNational Geographic 2018. márciusi címlapNational Geographic 2018. áprilisi címlapNational Geographic 2018. májusi címlapNational Geographic 2018. júniusi címlapNational Geographic 2018. júliusi címlapNational Geographic 2018. augusztusi címlapNational Geographic 2018. szeptemberi címlapNational Geographic 2018. októberi címlapNational Geographic 2018. novemberi címlapNational Geographic 2018. decemberi címlapNational Geographic 2019. januári címlapNational Geographic 2019. februári címlapNational Geographic 2019. márciusi címlapNational Geographic 2019. áprilisi címlapNational Geographic 2019. májusi címlapNational Geographic 2019. júniusi címlapNational Geographic 2019. júliusi címlapNational Geographic 2019. augusztusi címlapNational Geographic 2019. szeptemberi címlapNational Geographic 2019. októberi címlapNational Geographic 2019. novemberi címlapNational Geographic 2019. decemberi címlapNational Geographic 2020. januári címlapNational Geographic 2020. februári címlapNational Geographic 2020. márciusi címlapNational Geographic 2020. áprilisi címlapNational Geographic 2020. májusi címlapNational Geographic 2020. júniusi címlapNational Geographic 2020. júliusi címlapNational Geographic 2020. augusztusi címlapNational Geographic 2020. szeptemberi címlapNational Geographic 2020. októberi címlapNational Geographic 2020. novemberi címlap

Hírlevél feliratkozás

Kérjük, erősítsd meg a feliratkozásod az e-mailben kapott linkre kattintva!

Kövess minket