Недавно все новости и заголовки газет мира облетела ошеломляющая новость: достигнута скорость, превышающая скорость света. Рекордсмен — одна из целого зоопарка элементарных частиц — нейтрино.
С чего все началось?
А началось все, как в Библии, со света. Именно свет удивлял людей на протяжении всей истории. Сначала люди считали, что предметы видимы потому, что наши глаза испускают лучи, которые как бы освещают окружающий мир. Потом — что свет моментально попадает от источника в наши глаза. И только за последние несколько веков человечество смогло провести множество точнейших экспериментов, чтобы выяснить, что свет распространяется с конечной скоростью, а именно — около 300 тыс. км/с.
В начале прошлого века служащий патентного бюро в Швейцарии выпустил четыре научных работы, каждая из которых могла бы сделать революцию в физике. Что забавно, в конце работ не было указано ни одного источника… Подразумевается, что Эйнштейн придумал свои теории «с нуля», что впрочем сейчас активно оспаривается. Результат его работ — специальная и общая теории относительности, на которых сегодня построены все представления о физическом мире и которые получили неоднократное подтверждение на практике. Итак, при чем тут Эйнштейн. А при том, что его теории основаны на двух важнейших постулатах — первый звучит так: «Все физические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета», а второй — «Скорость света конечна, независима от скорости движения источника или приемника, и ничто не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света».
отчего весь переполох?
«Ну и что? Подумаешь, чуть быстрее, чуть медленнее», — скажет обыватель, — «Отчего все так переполошились?» Ни оттого, что теперь все учебники и книги прийдется переписывать (такое было неоднократно в истории науки), и не оттого, что научные работы и труды ученых во всем мире можно спокойно выбрасывать на свалку.
А оттого, что если окажется, что теория Эйнштейна неверна, то мы окажемся без какой-либо правдоподобной картины физического мира вокруг нас. Напомним, что теория относительности перебросила мостик от классической физики к электромагнитной теории Максвелла. Позволила унифицировать основные уравнения, так что они становятся инвариантными относительно всех систем отсчета. Если откинуть теорию относительности, то весь более-менее устойчивый дворец современной физики рушится, и многие процессы становятся необъяснимыми. В частности, если предположить, что превышение скорости света возможно, то это означает и возможность путешествий во времени.
Итак, имеем теорию, имеем множество экспериментов и научных работ, которые делают второй постулат теории относительности аксиомой для научного мира. Один из экспериментов поставила сама природа: в 1987 году астрономы зафиксировали вспышку сверхновой, которая произошла тысячи лет назад. Спустя какое-то время ученые на Земле зафиксировали вспышку оптическими приборами (то есть до нас долетели фотоны, выброшенные во время взрыва), а еще чуть позже (совсем немного позже) — поток нейтрино, также испущенный сверхновой. Если бы нейтрино двигались со скоростью, зафиксированной в недавнем эксперименте, то они бы прилетели на 4 года (!) раньше, чем видимый свет.
кто посмел?
Удивительные данные были получены на ускорителе элементарных частиц в Италии в ходе эксперимента под названием OPERA (англ. Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus). Целью эксперимента было изучение природы нейтрино и доказательство возможности превращения одних типов нейтрино в другие.
Базой эксперимента является огромный детектор, улавливающий нейтрино, которые генерируются в другой подземной лаборатории — CERN.
К чести ученых, которые проводили опыты, надо сказать, что они вовсе не стремились сделать сенсацию. Первые ошеломляющие результаты были получены за несколько недель до фурора. Они были неоднократно повторены и тысячи раз просчитаны. Специалисты, работающие на ускорителе, тщательнейшим образом проверили результаты экспериментов. Они даже заново измерили длинну туннеля. Погрешность, которую допускает опыт, составляет 0.2 от полученного результата. То есть не может объяснить такое сильное отклонение скорости от предельно возможной. Выбившись из сил и идей, ученые решились опубликовать данные с просьбой к научному миру помочь им найти, где может скрываться ошибка. На них обрушилась не только лавина теорий, где нужно искать погрешность, но и лавина критики. Одно из популярных объяснений результата основывается на теории струн: нейтрино имеет такую большую энергию, что перескакивает из одной «мембраны» в другую. Но это одна из тех теорий, проверка которой пока невозможна в земной лаборатории. Так что, несмотря на все усилия, до сих пор удивительный результат не был объяснен. И, возможно, мы стоим на пороге нового переворота в науке и человек, который сможет объяснить движение со скоростью, превышающей скорость света, встанет в один ряд с Ньютоном и Эйнштейном для последующих поколений.
кто такие?
На сегодняшний день известно три типа нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Напомним, что всего ученые насчитали 12 типов элементарных частиц. Сначала нейтрино были предсказаны теоретически и только много лет спустя их удалось обнаружить. Сложность состояла в необычно малых размерах и массе частиц. Ну и как подсказывает их название, в том, что эти частицы электрически нейтральны.
Не нужно думать, что нейтрино редки на Земле. Каждый из нас ежедневно пронизывается миллионами нейтрино, прилетающими из космоса. Они проходят сквозь нас, даже не замечая. Чтобы дать вам представление о размерах нейтрино, приведем такую аналогию: если атом увеличить до размеров Солнечной системы, то нейтрино будут размером в теннисные мячики.
сколько-сколько?
В ходе эксперимента на детекторе в итальянской лаборатории Гран-Сассо физики регистрировали приход мюонных нейтрино от протонного ускорителя в CERN на границе Швейцарии и Франции раньше предполагаемого времени на 60 наносекунд. То есть нейтрино движутся со скоростью на 0,00248 % превышающую скорость света.
Понятно, что это не те интервалы времени, которое можно измерить с секундомером в руке. Но если бы речь шла об атлетах на стометровом спринте, то такая разница во времени означала бы, что победитель опередил серебряного медалиста всего лишь на одну тысячную миллиметра. Но для элементарных частиц, эта разница во времени значительна, ведь расстояние в 730 км от CERN до Гран-Сассо (по прямой, проходящей сквозь земную кору) нейтрино осилили за 3 миллисекунды.
что теперь?
Физики со всего мира дожидаются подтверждения (или опровержения) данных OPERA в подобном эксперименте MINOS в США. Представители MINOS уже сообщили, что они планируют усовершенствовать систему отсчёта и синхронизации времени. Но пока никаких новых данных не поступало. А любителям астрономии остается, затаив дыхание, смотреть в небеса, которые полны загадочных и экзотических творений Природы под названием «элементарные частицы».
Кластер, Интергал, Планк, Марс Экспресс, Венера Экспресс, Икс-Эм-Эм Ньютон, Хиноде, Кассини, Хаббла, Сохо, Проба-2: как вы думаете, что это все такое? Это те космические миссии, которые либо проводятся Европейским космическим агентством (ЕКА) либо в которых ЕКА принимает участие. Все они имеют одну общую черту: их функционирование обеспечено, по крайней мере, до конца 2012 года и рекомендуется продлить их работу еще на два года. Такое решение было недавно принято Комитетом ЕКА по научным программам.