Bariera światła

[nowak11]

Czy istnieją (teoretyczne oczywiście) pomysły na to, co się stanie gdy w
końcu jakiś obiekt przekroczy prędkość światła? Czy istnieje coś takiego
jak "bariera światła"- analogicznie do bariery dźwięku? Może nastąpi jakiś
rozbłysk, albo może obiekt zniknie? A swoją drogą - kiedy ostatnio
słyszeliście charakterystyczne "bum". Ja jakieś 15 lat temu... Czy to
oznacza, że rzadziej już się te barierę przekracza, czy może chodzi o strefy
ciszy nad miastami? Czy jest wśród nas jakiś pilot naddźwiękowy, który mógłby
nam to wyjaśnić?

[vbvb]

Barierę dźwieku jakiś czas temu oficjalnie przesunięto na wartośc około 5 machów
- a obecnie chyba zaden samolot tak szybko nie lata. Stąd więc brak owych "bum".

v>c neutrina tachionami ? cz.I

[bonobo44]

Poza wątkiem z tego forum
forum.gazeta.pl/forum/72,2.html?f=12172&w=6916448&a=47232548

ciekawe może być następujące przypuszczenie:

<<Teoria względności. Szybkość światła. Neutrina i tachiony
serwisy.gazeta.pl/nauka/1,34144,93598.html
Piotr Cieśliński2000-12-11, ostatnia aktualizacja 2001-01-10 14:21
30-10-1997. Prawdziwą rewolucję w fizyce proponują polscy uczeni. Twierdzą, że
neutrina, jedne z najmniej znanych i najbardziej tajemniczych cząstek we
Wszechświecie, mogą mknąć z prędkością większą niż światło.
ZOBACZ TAKŻE
Teoria względności. Szybkość światła (11-12-00, 13:55)
Problemy, które fizycy mają z neutrinami, to obecnie jedne z najbardziej
zagadkowych i fascynujących zagadnień w fizyce cząstek elementarnych i
astrofizyce - mówi prof. Jakub Rembieliński z Uniwersytetu Łódzkiego. - Dlatego
nawet tak zwariowana hipoteza, że neutrina poruszają się szybciej niż światło,
brana jest pod uwagę. A jak dotąd dosyć dobrze przystaje ona do rzeczywistości.
Czy jest to dobra hipoteza, pokażą eksperymenty, które są obecnie prowadzone
lub przygotowywane.

A dlaczego hipoteza zasługuje na miano zwariowanej?

- Gdyby się sprawdziła, to teoretyczne osiągnięcia ostatnich 20 lat fizyki
cząstek i kosmologii musiałyby ulec drastycznej rewizji. Jest to dodatkowy
powód, dla którego wielu fizyków zachowuje sceptycyzm, co zresztą nauce zawsze
wychodzi na zdrowie - wyjaśnia prof. Rembieliński.

Z pamiętnika neutrin

Neutrina to jedne z najmniejszych składników materii - cząstki elementarne
dalej już niepodzielne - które są potocznie mniej znane, ale grają równie ważną
rolę, co protony, neutrony i elektrony.

Narodziły się tuż po Wielkim Wybuchu (tzw. Big Bangu), który dał początek
Wszechświatowi. Od tego czasu troszkę ich przybyło, bo są stale produkowane w
reakcjach termojądrowych, np. w gorących tyglach wnętrza gwiazd.

Na ich ślad natrafiono pod koniec lat 30., gdy w laboratoriach badano reakcje
rozpadów promieniotwórczych. Po zsumowaniu energii wszystkich produktów rozpadu
nie zgadzał się bilans. Gdzieś znikała część energii. Żeby uratować podstawowe
prawo przyrody - prawo zachowania energii - wielki niemiecki fizyk Wolfgang
Pauli wymyślił, że w tych reakcjach powstaje, i ucieka badaczom, jeszcze jedna
cząstka - właśnie neutrino. To ona miała unosić w dal brakującą część energii.

Dopiero 26 lat później eksperymentatorom z wielkim trudem udało się złapać
neutrino. Neutrina są bowiem niemal nieuchwytne. Materia jest dla nich prawie
przezroczysta. Bez trudu przenikają przez planety, gwiazdy i inne przeszkody.
Ktoś kiedyś obliczył, że żeby mieć pewność zatrzymania neutrina, trzeba by
zbudować mur z ołowiu grubości roku świetlnego, czyli około 10 bilionów
kilometrów.

Dziś neutrina z wielkim trudem łapie się w wielkich detektorach, z których
największy jest Superkamiokande, w głębi starej kopalni Kamioka w Japonii.
Potężny zbiornik 50 tys. ton krystalicznie czystej wody obłożony jest blisko 12
tys. detektorów, które rejestrują promieniowanie emitowane przez elektrony
powstające w wyniku bardzo rzadkich zderzeń neutrin z cząstkami wody.

Jak trudno złapać neutrino, pokazuje historia sprzed dziesięciu lat. Podczas
wybuchu gwiazdy supernowej w 1987 r., który był niezwykle silnym źródłem
neutrin, przez detektor IMB w kopalni soli w Cleveland w Stanach Zjednoczonych
przeszło w ciągu kilku sekund około dziesięciu tysięcy bilionów neutrin, z
czego zarejestrowano zaledwie osiem.

Co wiemy o neutrinach i dlaczego tak mało

Skoro cząstki te wymykają się naukowcom, to nic dziwnego, że aż do dziś
potrafiły ustrzec wiele własnych tajemnic. Największą zagadką jest ich masa.
Trwają spory o to, czy neutrino jest nieważkie, jak światło, czy jednak ma
masę, choć bardzo niewielką (na pewno tysiące razy lżejszą od elektronu).

Drugą tajemnicą jest niedobór neutrin, produkowanych w reakcjach wewnątrz
Słońca. W jądrze Słońca zachodzi siedem podstawowych reakcji jądrowych, w
wyniku których emitowane są neutrina elektronowe. Teorie dokładnie wyliczają,
ile powinno ich docierać do Ziemi. Eksperymentatorów jednak spotkała przykra
niespodzianka: w ziemskich detektorach rejestruje się tylko mniej więcej jedną
trzecią tej liczby. Co się dzieje z resztą słonecznych neutrin?

To dlatego prof. Jakub Rembieliński i jego współpracownicy odważyli się włożyć
kij w mrowisko i zaproponować hipotezę, zgodnie z którą neutrina poruszają się
z predkością większą niż światło.

Hipotetyczne obiekty, które mają poruszać się szybciej niż światło, zwane są
tachionami.
Ale czy prawa natury godzą się na tachiony

Tak, choć z początku brzmi to nieprawdopodobnie. Tak bardzo zakodowana jest w
powszechnej świadomości nieprzekraczalna bariera prędkości światła.

Niemniej jednak szczególna teoria względności Alberta Einsteina z początku tego
wieku, fundament współczesnej fizyki, dopuszcza istnienie tachionów.

Według tej teorii mogą istnieć trzy rodzaje cząstek. Pierwszy odpowiada
cząstkom masywnym (bradiony). To są dobrze dziś znane cegiełki materii, z
których zbudowane są atomy - protony, neutrony, elektrony itp. One poruszają
się zawsze wolniej niż światło i też nie sposób ich rozpędzić do prędkości
światła, bo wraz ze wzrostem prędkości stawiają coraz większy opór i
rozpędzanie ich wymaga coraz więcej energii.

Drugi rodzaj cząstek to cząstki, które nie mają masy (luksony). Do tej grupy
zaliczają się fotony (cząstki światła), gluony (sklejające kwarki) i grawitony
(hipotetyczne jeszcze cząstki, które przenoszą siłę grawitacji). One wszystkie
poruszają się dokładnie z prędkością światła.

Natomiast trzeci rodzaj cząstek, których istnienie dopuszcza teoria Einsteina,
to właśnie hipotetyczne tachiony, które miałyby poruszać się prędzej niż
światło.

Co tachiony różni od zwykłych cząstek

Tachion nie może zwolnić do prędkości mniejszej, czy nawet równej prędkości
światła. Podobnie jak zwykłych cząstek materii nie możemy rozpędzić do
prędkości światła, tak też tachionów nie możemy do tej prędkości wyhamować.

Okazuje się, że bariery światła nie można przekroczyć, choć można znajdować się
po obu jej stronach. - Aby być tachionem, trzeba się nim po prostu urodzić -
mówi prof. Rembieliński. A wtedy dzieją się cuda. Gdy energia tachionu maleje,
jego prędkość rośnie. Zupełnie odwrotnie niż u zwykłych cząstek. Tachion o
bardzo małej energii może pędzić z prawie nieskończoną prędkością.

Dziwne?

- Znacznie dziwniejszy jest foton, który może mieć tylko jedną jedyną wartość
prędkości, czyli prędkość światła, ani nie można go przyspieszyć, ani zwolnić -
zauważa prof. Rembieliński.

Dlaczego o tachionach cicho w świecie fizyki

Wyobraźmy sobie, że mamy teleskop "tachionowy". Wtedy możemy "widzieć"
najdalsze zakątki Wszechświata dokładnie takie, jak wyglądają w tej chwili.
Wtedy też natychmiast może dotrzeć do nas informacja o tym, co się dzieje na
drugim krańcu Wszechświata. Taki skok w przestrzeni i czasie wydaje się
niemożliwy.

- Nikt dotąd nie traktował serio możliwości istnienia tachionów, gdyż sprawiają
one jedną istotną trudność: niezachowanie porządku przyczynowego - twierdzi
prof. Jakub Rembieliński.

Tak też pisał przed laty prof. Grzegorz Białkowski w "Starych i nowych drogach
fizyki" (wyd. Wiedza Powszechna): "Koncepcja tachionów jest sporna z czysto
teoretycznego punktu widzenia, właśnie z pozornym przynajmniej gwałceniem przez
tachiony warunku przyczynowości".

O co chodzi z tym gwałtem na przyczynowości? Byłaby mianowicie możliwa taka
sytuacja, że gdy dla jednego obserwatora pewne zdarzenie poprzedzałoby inne
zdarzenie, to dla drugiego obserwatora ta kolejność byłaby odwrotna. Oznacza
to, że w zależności od obse

v>c neutrina tachionami ? cz.II

[bonobo44]

...rwatora skutek zamieniałby się kolejnością z przyczyną. To byłoby dziwne i
nielogiczne.

Nikogo nie dziwi względność prędkości. Pasażerowi autobusu może wydawać się, że
samochód widziany za oknem autobusu stoi w miejscu. Tymczasem pieszy będzie się
upierał, że ten sam samochód porusza się z dużą prędkością.

Każdego jednak zdziwiłoby, gdyby jeden obserwator opowiadał, że auto zostało
zatrzymane przez policję po przejechaniu na czerwonym świetle, a drugi
obserwator upierał się, że było na odwrót - najpierw policja zatrzymała
samochód, a potem przejechał on na czerwonym świetle. A można wyobrazić sobie
jeszcze bardziej dziwne spory między obserwatorami - np. co nastąpiło
wcześniej, narodziny czy chrzciny? Takie paradoksy fizycy nazywają kauzalnymi.

Czy można mieć tachiony i uniknąć paradoksów

W latach 70. Feinberg zaproponował teorię, która miała te kłopoty z tachionami
rozwiązać (tzw. zasada reinterpretacji). - Ukazały się dziesiątki prac
naukowych, ale w końcu okazało się, że nadal paradoksów uniknąć się nie daje -
opowiada prof. Rembieliński. - I to jest odpowiedź, dlaczego niektórzy fizycy
nie lubią tachionów.

Warunkiem koniecznym do postawienia hipotezy, że neutrina są tachionami, byłaby
spójna teoria - wolna od paradoksów, związanych z łamaniem przyczynowości.

- Taką teorię niedawno zaproponowałem. Nie ma już paradoksów kauzalnych,
dowolnie dużych ujemnych wartości energii itp. Można też na jej podstawie
zbudować teorię kwantową, która ma wszystkie wymagane cechy, np. stan próżni w
takiej teorii jest stabilny - mówi prof. Rembieliński. I zastrzega: - Proszę
tylko nie stwarzać wrażenia sensacji; to nie zawsze pomaga. Poza tym wielu
fizyków ma nadal "alergię" na tachiony.

Brak paradoksów to nie wszystko. Porządna teoria powinna nie tylko wyjaśniać
zjawiska z udziałem tachionów, ale też umieć obliczyć czasy życia, szerokości
rozpadów, przekroje czynne itp. - Wraz ze współpracownikami zaprzągłem więc
swoją teorię do rozwiązania zagadki niedoboru neutrin słonecznych - mówi prof.
Rembieliński.

Jak wyjaśnić, że neutrin ze Słońca jest za mało

Najpopularniejszym obecnie wyjaśnieniem zagadki deficytu neutrin słonecznych
jest mechanizm mieszania się (transmutacji) neutrin. Idea jest prosta: jeśli
powstające w głębi Słońca neutrina elektronowe zamieniają się po drodze w inny
gatunek neutrin - mionowe lub taonowe - to obserwujemy ich na Ziemi za mało, bo
potrafimy (na razie) rejestrować w naszych detektorach w zasadzie tylko
neutrina elektronowe.

Proces "mieszania" może zachodzić na drodze Słońce-Ziemia lub być wzmacniany
wewnątrz Słońca (tzw. mechanizm MSW). Co ważne, w obu wypadkach, żeby
zachodziło mieszanie, neutrina muszą mieć niezerowe masy. A to nie jest jeszcze
udowodnione i może być wątpliwe.

- Natomiast scenariusz proponowany przeze mnie i moich współpracowników,
Kordiana Smolińskiego i Pawła Cabana, jest inny - opowiada prof. Rembieliński. -
Zakładamy, że neutrina są tachionami, czyli poruszają się prędzej niż światło.
Neutrino-tachion może się rozpaść na takie same neutrino o mniejszej energii
oraz parę neutrino i antyneutrino innego typu. Gdy ten proces przebiega na
drodze Słońce-Ziemia, to strumień neutrin elektronowych zmniejsza swą energię i
w efekcie do Ziemi docierają neutrina o mniejszej energii. Tymczasem ziemskie
detektory na razie rejestrują tylko neutrina o wysokiej energii. Przegapiają
neutrina o zbyt małej energii i dlatego wydaje nam się, że rejestrujemy za mało
neutrin słonecznych.

Jak przy okazji rozwikłać inne zagadki

Tachionowa natura neutrino miałaby też, niezależnie od rozwiązania problemu
neutrin ze Słońca, bardzo istotny wpływ na rozumienie struktury Wszechświata,
problemu ciemnej materii i inflacji. - Choć to tylko spekulacje - zastrzega się
prof. Rembieliński.

Na przykład problem inflacji. Z astrofizycznych obserwacji wiemy, że
Wszechświat w dużej skali jest niezwykle jednorodny i izotropowy (to znaczy -
jednakowy w każdym kierunku). To oznacza, że wszystkie obszary Wszechświata są
niezwykle do siebie podobne, nawet te, które w chwili Wielkiego Wybuchu zostały
rozdzielone i potem nigdy nie mogły kontaktować się ze sobą i oddziaływać. Aby
to dziwne podobieństwo wyjaśnić, zakłada się, że tuż po Big Bangu nastąpiła
tzw. faza inflacji, w czasie której Wszechświat rozszerzał się w szalonym
tempie. To miało "wygładzić" wszystkie niejednorodności i różnice. Wszechświat
przed inflacją można porównać do sflaczałego balonu, którego poszczególne
kawałki różnią się od siebie - mają mniejsze lub większe fałdki, mniej lub
bardziej rozciągniętą gumę. Ale gdy go nagle napompujemy, to wszystkie
zmarszczki i niejednorodności wygładzą się. Powierzchnia balonu będzie w każdym
punkcie taka sama.

- Ta hipoteza jest sztuczna i wymaga istnienia specjalnego pola kosmicznego,
sterującego inflacją - mówi prof. Rembieliński.

Tymczasem gdyby okazało się, że neutrina są tachionami, wówczas jednorodność i
izotropowość Wszechświata nie byłaby już dłużej zagadką. Dla tachionów nie ma
bariery prędkości, więc mogą momentalnie przenosić się między dowolnymi
obszarami Wszechświata i - podobnie jak woda wyrównuje swój poziom w naczyniach
połączonych - niwelować różnice między nimi. Szczególnie istotne byłoby to w
fazie formowania się Wszechświata.

Jeśli neutrina byłyby tachionami, to ich własności miałyby wpływ też na
wyjaśnienie zagadki ciemnej materii Wszechświata. Obserwując prędkość ruchu
gwiazd i galaktyk dedukujemy, że szacowana gęstość materii we Wszechświecie
jest ok. dziesięciu razy większa niż ta, którą widzimy w teleskopach. Nie
bardzo wiadomo, czym jest ta materia nie świecąca, nieobserwowalna. Przypuszcza
się, że przynajmniej część z niej stanowią neutrina. Rzeczywiście, neutrin jest
we Wszechświecie chyba więcej niż fotonów światła - ocenia się, że w każdym
centymetrze sześciennym jest średnio 300 neutrin.

Jak przekonać się, że neutrino to tachion

Czy można wykonać taki eksperyment na Ziemi, który pokaże niedowiarkom, z jaką
szybkością mknie neutrino?

Prof. Grzegorz Białkowski pisał kilkanaście lat temu: "Z eksperymentalnego
punktu widzenia nie ma żadnych argumentów przemawiających za istnieniem
tachionów". Sytuacja się jednak zmieniła. Zdaniem prof. Rembielińskiego to, czy
rzeczywiście neutrina są tachionami, czy też nie, rozstrzygną eksperymenty
prawdopodobnie w ciągu kilku lat.

Jednym z najważniejszych neutrinowych eksperymentów jest mierzenie końcowego
obszaru widma energii elektronu w rozpadzie beta trytu na hel-3, elektron i
antyneutrino elektronowe. Okazuje się, że kształt tego widma jest bardzo czuły
na rodzaj emitowanego antyneutrina: czy jest to zwykła cząstka, czy też tachion.

- W ciągu ostatniego dziesięciolecia wszystkie pomiary wprowadzały
eksperymentatorów w zakłopotanie, bo spodziewali się otrzymać wyniki odwrotne -
mówi prof. Rembieliński. - Wraz z Jackiem Ciborowskim z Uniwersytetu
Warszawskiego przeprowadziliśmy rachunki i symulacje komputerowe tego procesu
przyjmując, że neutrino to tachion. Okazało się, że krzywa teoretyczna i
doświadczalna są praktycznie identyczne. Oznacza to, że potrafimy wyjaśnić
anomalię tego procesu.

- Oczywiście, możliwe, że w tym eksperymencie jest popełniany jakiś błąd
systematyczny. W tej chwili Jacek Ciborowski jest w kontakcie z grupami
eksperymentalnymi z Troitska (pod Moskwą) i z Moguncji (Niemcy), gdzie
wykonywane są najbardziej precyzyjne doświadczenia z rozpadem trytu. Nasze
wyniki dotyczące wyjaśnienia anomalii w rozpadzie beta były prezentowane w
sierpniu na konferencji w Jerozolimie. Obecnie kończymy pracę, którą wyślemy w
październiku do publikacji.

- Rozpad trytu to jedyny obecnie dokładny pomiar związany z neutrinami -
uzupełnia Jacek Ciborowski. - Jeśli neutrino elektronowe ma masę równą zero,
wówczas widmo energii elektronów powinno lini

v>c neutrina tachionami ? cz.III

[bonobo44]

...owo maleć do zera. Jeśli neutrino ma masę niezerową (tak jak inne zwykłe
cząstki, np. elektron) - wówczas punkt końcowy wypadnie poniżej zera, zaś
widmo "zagnie" się przy samym końcu w dół. Ale wyniki doświadczalne pokazują,
że jest przeciwnie: widmo nie zagina się ku dołowi.

- Wiedzeni intuicją rozważyliśmy rozpad z tachionowym neutrinem. Okazuje się,
że policzona amplituda prowadzi do widma z "górką" przy końcu. A trzeba dodać,
że dotychczas nie znaleziono wytłumaczenia tego zjawiska na gruncie fizyki
konwencjonalnej, choć rozważano wiele przyczyn. Ponadto okazało się również, że
hipoteza tachionowego neutrina tłumaczy łamanie parzystości w oddziaływaniach
neutrin, fakt obserwowany doświadczalnie od 40 lat, lecz nie wyjaśniony do tej
pory - mówi Ciborowski.

Czy najnowsze eksperymenty wciąż pasują

Tuż przed latem tego roku wykonany został najdokładniejszy dotychczas pomiar
końca widma elektronów z rozpadu trytu przez grupę fizyków z Moguncji.

- Wstępne wyniki przedstawione zostały na letnich konferencjach. Na oko nasze
widmo pasuje do danych, ale dopiero w październiku lub w listopadzie wybiorę
się do Moguncji, aby je dopasować za pomocą komputera - mówi Jacek Ciborowski. -
Jestem jednak przekonany, że będzie pasować. Również na oko pasuje widmo
zmierzone przez rosyjską grupę z Troitska.

- Te wyniki nie dają jeszcze rozstrzygnięcia, czy neutrino jest tachionem, ale
stanowią poważne argumenty za rozważeniem tej hipotezy - dodaje Ciborowski. -
Osobiście uważam za mało prawdopodobne, aby zgodność tych naszych dwóch
przewidywań, rozpadu trytu i niedoboru neutrin słonecznych, była przypadkiem,
tzn. dopuszczam z dużym prawdopodobieństwem to, że neutrina są tachionami -
sądzi Jacek Ciborowski. - Trzeba jednak znaleźć zjawisko lub pomiar
rozstrzygający. Na razie mogę zaproponować dwa eksperymenty, których wyniki
byłyby rozstrzygające - niestety niewykonalne z powodów technicznych i
finansowych w obecnych czasach.

Jeśli neutrina rzeczywiście okazałyby się tak szybkimi podróżnikami, to czy
można byłoby to praktycznie wykorzystać?

- To jest chyba najtrudniejsze pytanie i właściwie nie potrafię nic na ten
temat powiedzieć. Chyba tylko jedynie to, że gdybyśmy potrafili konstruować
nadajniki i odbiorniki (np. teleskopy neutrinowe, za które od biedy można
uważać niektóre obecne detektory neutrin), to możliwa byłaby prawie
natychmiastowa komunikacja z najbardziej odległymi zakątkami Wszechświata. Dla
neutrin Wszechświat jest bowiem przezroczysty - odpowiada prof. Rembieliński. -
Jeśli hipoteza tachionowa jest zgodna z rzeczywistym światem, na pewno
zrobiłaby go ciekawszym.>>
serwisy.gazeta.pl/nauka/1,34144,93598.html