Część II
Mroczny urok światła
Spis treści podrozdziałów
Tytuły są podlinkowane. Wystarczy kliknąć, aby przenieść się bezpośrednio do wybranego podrozdziału.
2.1 Kto wie jaka jest „szybkość światła w próżni”?
2.2 Czy pytanie o „dokładną szybkość światła w próżni” mieści się w domenie nauki?
…Moim zdaniem następny etap rozwoju fizyki teoretycznej przyniesie nam nową teorię światła, która będzie czymś w rodzaju połączenia teorii falowej i korpuskularnej. (…) Struktury falowej i struktury kwantowej nie należy traktować jako wzajemnie sprzecznych. (Albert Einstein, „Phsikalische Zietschrift”, nr 10, 1909. Cytat za A. Paisem z książki „Tu żył Albert Einstein”)
…wszystkie księgi, które studiowaliśmy, były o świetle: Sefer ha-Bahir to Księga Jasności, Szare Ora to Bramy Światła, Meor Menajim – Światło Oczu, i w końcu Sefer ha-Zohar – Księga Blasku. (…) To światło odkryło nam, że ogromne ciało materii i jej praw nie jest meciut, rzeczywiste, i takoż wszystkie jej kształty i przejawy, jej nieskończone formy, jej prawa i nawyki. Prawdą światła jest nie materia, lecz wibracja iskier światła, to nieustanne migotanie, które znajduje się w każdej rzeczy. [Fragment relacji Nachmana Samuela ben Lewi z Buska (Podolskiego) vel Piotra Jakubowskiego. Cytat z „Ksiąg Jakubowych” Olgi Tokarczuk, Księga VI, rozdz. 30, s.45]
2.1 Kto wie jaka jest „szybkość światła w próżni”?
Już z podtytułu widać, że w tym rozdziale wstąpiłem na grząski grunt. Nie bez pewnego niepokoju, przyznaję, ale też byłem od początku na to przygotowany. Na dowód przywołuję trzy zdania wyjęte z rozdziału 1 („Fundamenty fundamentów”).
Niestety, w tym fundamencie (chodzi o tabele NIST/CODATA) jest pewien szczególny wyjątek, coś jakby niestandardowa cegła w murze, a mianowicie „szybkość światła w próżni”. Obok ogólnie znanej i stosowanej wartości 299 792 458 m/s, zamiast zakresu niepewności (a przecież podana wartość sugeruje względną dokładność pomiaru 10-8) zamieszczono słowo „exact”, co nasuwa podejrzenie, że szybkość światła, uznana jako stała fizyczna c, została ostatecznie ustalona arbitralnie. Poza tym „exact” nie bardzo licuje z misją nauki, jako procesu nieustannego dochodzenia do prawdy. Tak naprawdę, co można opatrzyć (w nauce) atrybutem exact?
Niezrażony tym, że NIST i CODATA uznały jeszcze inne stałe (stała elektryczna, stała magnetyczna, charakterystyczna impedancja próżni) za absolutnie dokładne, nie zrezygnowałem z poszukiwań przyczyn takiego stanu rzeczy. Przypominam sobie (ze szkoły średniej), że szybkość światła jest „dokładnie” równa odwrotności pierwiastka kwadratowego z iloczynu przenikalności elektrycznej i przenikalności magnetycznej próżni. Obecnie w CODATA (2012) nazywają się one odpowiednio stałą elektryczną i stałą magnetyczną. Jeżeli CODATA poda zakresy nieufności do wartości tych stałych, to „jestem w domu”. Niestety, przy obu stałych znajdziemy wdzięczny napis exact.
Nie rezygnuję: sięgam do sztandarowego podręcznika akademickiego pt. Fizyka współczesna, autorstwa uznanych badaczy Paula Tiplera i Ralpha LLewellyna (PWN, 2011, w starannym przekładzie czterech polskich fizyków). W indeksie rzeczowym takich pojęć, jak światło czy szybkość światła brak. Na 730 stronach dużego formatu te pojęcia okazały się zbędne. Jednak nie: na ostatniej stronie, zatytułowanej „Wybrane stałe fizyczne” jest hasło Prędkość światła w próżni, ale podano je z kardynalnym błędem. I nie chodzi o to, że studenci nie będą potem rozróżniać pojęć „prędkości” i „szybkości”, chodzi o wartość liczbową c. Okropny pech, stała, tylko raz przytoczona w tym opasłym podręczniku akademickim, okazała się błędna.
Nadal nie rezygnuję: na kłopoty mamy przecież Google’a. Pod hasłem „prędkość światła” znajduję pierwszą konkretną informację:
Metody pomiaru prędkości światła były stale rozwijane, czego efektem był wzrost dokładności pomiaru. W 1907 roku Albert Abraham Michelson otrzymał Nagrodę Nobla m.in. za bardzo dokładne pomiary prędkości światła, prowadzone od roku 1878. W 1880 roku uzyskał wynik 299 910 ± 50 km/s, w latach 1924–1926, dzięki aparaturze ustawionej na szczytach górskich Mount Wilson i Mount San Antonio, odległych o 35 km, 299 796 ± 4 km/s, zbliżony do przyjmowanego obecnie.
A więc mam to, czego poszukiwałem: szybkość światła zawiera się w przedziale między 299792, a 299800 km/s. Zakres niepewności wynosi 8 km/s, czyli ± 13x10–4%. Pomiar Michelsona wydaje się więc bardzo dokładny, ale czy wystarczająco dokładny, żeby można było wynik oznaczyć jako exact? Pamiętajmy, że tu nie chodzi tylko o szybkość światła w próżni, ale o jedną z najważniejszych stałych kosmologicznych, która jest składnikiem większości równań fizyki. Wiemy więc, że szybkość światła nie bardzo nadaje się na kandydatkę na stałą kosmologiczną, bo nie można jej (na razie) zmierzyć z większą dokładnością, która powinna wynosić przynajmniej 10-11 wartości oczekiwanej. Bez takich pomiarów nie możemy twierdzić, że stała c jest niezmienna i że, przede wszystkim, nie zależy od energii fotonu, czyli jego częstotliwości. Michelson w żadnym wypadku nie mógł dysponować takimi warunkami pomiarowymi, nie było jeszcze laserów i stabilizatorów ich parametrów. Ale obecnie?
Moje poszukiwania na tym się jednak nie skończyły. Znów przypomniałem sobie z wykładów na Politechnice Gdańskiej, że szybkość światła jest równa „dokładnie” ilorazowi długości Plancka i czasu Plancka. Dla obu wielkości NIST/CODATA zamieszcza tym razem zakresy ufności. Hurra! Nie będę tu przytaczał stosownych danych, każdy może po nie sięgnąć. Podam jedynie wyniki przeliczeń:
Średnia arytmetyczna w tym zakresie szybkości nie różni się od geometrycznej i wynosi 299 792 438 m/s. W komplementarnej kombinacji mamy:
Średnia arytmetyczna pozostała niezmienna: 299 792 438 m/s.
Czy z tych trochę naiwnych obliczeń coś wynika? Chyba to, że średnia wartość szybkości światła w próżni wynosi o 20 m/s mniej niż ta według CODATA. Nie podejmuję się ocenić stopnia wiarygodności tych przeliczeń i wynikającego z nich wniosku. Zupełnie sfrustrowany udaję się po radę do najwyższych autorytetów.
Albert Einstein formułując Szczególną Teorię Względności w 1905 roku w publikacjach datowanych 30 czerwca i 27 września (1905) nie posłużył się wartością liczbową szybkości światła w próżni (die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raume), która zapewne była mu znana, choćby z pomiarów Michelsona. Wykazał w ten sposób odpowiedzialność za słowo godną rasowego naukowca (a był wtedy skromnym referentem w Urzędzie Patentowym w Bernie).
Sir Roger Penrose w swoim wielkim dziele Droga do rzeczywistości, na które jeszcze nieraz będę się powoływał, operując stałą c, ani razu nie nadał jej wymiaru w jednostkach SI, wyrażając w ten sposób, jak przypuszczam, swoją wątpliwość w tej kwestii.
Schylam głowę przed tymi Autorytetami; potraktowali mnie, najzwyklejszego amatora fizyki i autora opowiastek o Kosmosie, z całą powagą, a nie jako „oszusta”. Przesadzam? No to proszę sięgnąć do książki Czy Wielki Wybuch był głośny? (Prószyński, 2017), książki niewątpliwie znakomitej, szkoda tylko, że jednego ze współautorów niekiedy ponosi „profesorska pasja”. Nie zmienia to faktu, że z całym respektem i podziwem powołuję się niekiedy na inne słowa Profesora, które nie pozostały bez wpływu na moją opowieść.
2.2 Czy pytanie o „dokładną szybkość światła w próżni” mieści się w domenie nauki?
Poprawna odpowiedź na tytułowe pytanie jest tylko jedna: tak, w prawdziwej nauce jest miejsce na każde, zwłaszcza zaskakujące pytanie. Problem tkwi raczej w odpowiedziach. Spodziewam się, że w tym wypadku odpowiedź byłaby jednocześnie pytaniem: a skąd w ogóle taka wątpliwość? No to wyjaśnię, co złożyło się na powstanie moich wątpliwości.
To, że światło ma naturę kwantową, po blisko 100 latach doświadczalnego testowania teorii, nie podlega dyskusji. Chodzi raczej o to, jak mierzyć wielkość kwantową, która z racji dużej energii kinetycznej wchodzi także w zakres relatywistycznej fizyki klasycznej. Dyskusje nad tym trwają od lat dwudziestych XX wieku. Ustalono z dużą pewnością, że żadne zjawisko elementarne nie jest zjawiskiem, dopóki nie jest zjawiskiem zaobserwowanym i zmierzonym. Po wielu sporach zgodzono się z faktem, że obserwator zjawiska kwantowego w trakcie pomiarów ma w nim bardzo ważący udział. I on, i użyte do pomiarów przyrządy mogą znaleźć się w stanie będącym superpozycją stanów kwantowych. Wszystko to świadczy o tym, że świat przyrody nie jest w pełni przewidywalny. W 1927 roku tę „nieprzewidywalność” wyraził ilościowo Werner Heisenberg w postaci znanej pod nazwą „zasady nieoznaczoności”. W dużym skrócie wyraża ona fizyczną niemożliwość jednoczesnego zmierzenia położenia i pędu obiektu kwantowego. Oznacza to więc, że jeśli ktoś usiłuje wyznaczyć dokładnie położenie np. fotonu, to dokonujący pomiaru musi zrezygnować z informacji o jego pędzie. Jeśli nawet uda się zmierzyć pęd fotonu, to jego położenie staje się nieokreślone. Próby zlokalizowania fotonu w dokładnie określonym miejscu powodują niekontrolowane i nieprzewidywalne zaburzenie jego pędu i na odwrót.
Zasada nieoznaczoności wyrażona jest nierównością (patrz Roger Penrose: Droga do rzeczywistości, s. 499):
gdzie
W pomiarze, jakiego dokonał Michelson w latach 1924–1926, najciekawsze wydaje się to, w jaki sposób została oszacowana przezeń niedokładność pomiaru
Spróbujmy skonfrontować ten wynik z podaną nierównością 11-1, pamiętając wszakże, że niedokładność pomiaru wielkości fizycznej to nie to samo, co jej nieokreśloność, wynikająca niejako z definicji.
Δx wynosiła 35 km. Na trasie łączącej miejsce emisji światła i jego detekcji nie jest wiadome dokładne położenie fotonu w dowolnej chwili czasu ani, co bardzo istotne, nie jesteśmy w stanie określić, którą z nieobliczalnej mnogości trajektorii foton sobie właśnie „wybrał”. Liczmy więc liczbowe konsekwencje nieoznaczoności.
Δp musi być nie mniejsza od 0,527 280 x 10-34/ 35 x 103 = 0,0151 x 10-37 (kg x m/s),
Aby oszacować nieokreśloność szybkości światła na podstawie nieokreśloności jego pędu, należałoby podzielić Δp przez masę fotonu, ponieważ w fizyce klasycznej pęd jest iloczynem masy i szybkości, a wektorowo iloczynem masy i prędkości. I tu powstaje problem. Jeżeli potraktować foton jako cząstkę „masową” (patrz rozdz. 10), to okazuje się, że masę fotonu światła białego trzeba założyć arbitralnie. Najbardziej sensowną wartością wydaje się mf=10-16eV/c2 (czyli w jednostkach SI 1,783 x 10-52 kg), jako że bezpośrednio wynika to z wzoru na równoważność energii i masy: E = m x c2. Ale mamy prawo przypuszczać, że masa spoczynkowa fotonu nie jest stała, lecz zależy od jego energii, a więc częstotliwości. Jak zależy, tego nie wiemy, może się później dowiemy. Na razie pozostaje nam przyjąć, że masa spoczynkowa fotonu pozostaje niezmienna w trakcie pomiaru szybkości światła, a wynik pomiaru potraktować jako pierwsze przybliżenie.
Nieokreśloność szybkości światła będzie:
Zwiążmy ten wynik z ogólnie przyjętą wartością stałej c:
czyli szybkość światła może zawierać się w granicach 299 782 458 – 299 802 458 m/s. Odchyłka wynosi:
co nieźle przystaje do wyniku Michelsona:
Tak duża niepewność wyników pomiarów nie kwalifikuje jej jednak do miana fundamentalnych stałych fizycznych.
Nasuwa się pytanie: czy mierząc szybkość światła i interpretując wyniki, Albert A. Michelson mógł znać zasadę nieoznaczoności? Z dostępnych danych wynika, że raczej nie. Tym większy podziw wywołują jego osiągnięcia.
Zachęcony otrzymanym wynikiem, spróbuję ocenić dokładność pomiaru szybkości neutrin mionowych w programie OPERA we włoskim laboratorium podziemnym w Gran Sasso (podrozdz. 2.3). Zrobię to w podrozdziale 2.4.
A wracając do tytułu tego rozdziału, powinniśmy twierdzić, że tak naprawdę mroczna sprawa szybkości światła i jej nominowanie na fundamentalną stałą w fizyce w najwyższym stopniu zasługuje na żywe zainteresowanie instytucji podstawowych problemów nauki pod kątem weryfikacji dotychczasowych ustaleń.
2.3 Dramat nauki w Gran Sasso w 2011 r.
Piszę „dramat”, myślę „afera”, co postaram się dalej uzasadnić. Ten dramat został wywołany nagle konferencją prasową w CERN, w dniu 23.09.2011 r., ustami Rzecznika Zespołu na ogół młodych badaczy, entuzjastów nauki, prof. dra Antonia Ereditato z Uniwersytetu w Bernie. Tematem był raport z kilkuletnich badań szybkości neutrin w ramach programu OPERA, realizowanego w Laboratorium Narodowym w Gran Sasso we Włoszech (LNGS) przy ścisłej współpracy z naukowcami CERN, z którego wynikało, że neutrina mionowe wyemitowane w CERN w kierunku LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso), po przebyciu podziemnej trasy o długości ok. 730 km, dotarły do detektorów ok. 60 ns wcześniej, niżby to wynikało w ogólnie akceptowanej szybkości światła według CODATA. A więc nadal pozostajemy w temacie: szybkość światła.
Nie będę tu relacjonował naukowych celów i technologii programu OPERA, wystarczy sięgnąć do obszernej publikacji (preprint Uniwersytetu Cornella w USA) ar.Xiv:1109.4897 (Adam i inni, 22.09.2011). Istotą dramatu jest to, że po raz pierwszy w dziejach nauki, na wzmiankowanej konferencji, grupa 238 badaczy podpisanych pod publikacją, po dwóch latach zdumiewających testów, zwróciła się za pośrednictwem profesorów Ereditata i Bertolucciego do społeczności naukowej świata z apelem (cytat niedosłowny): Oto są nasze wyniki. Na razie nie znaleźliśmy błędów w systemie pomiarowym. Prosimy inne zespoły zajmujące się tą tematyką (m.in. w USA, Japonii), pomóżcie nam znaleźć wyjaśnienie wyników, które w sposób bezdyskusyjny zaprzeczają Szczególnej Teorii Względności.
Nastąpiła „burza mózgów” w całym naukowym świecie. Czterech profesorów z LNGS, prawdopodobnie w obawie o swój prestiż i apanaże, porzuciło solidarność z kolegami i wycofało się ze współautorstwa. Uniwersytet Cornella w ciągu 3 miesięcy otrzymał ponad 1000 rękopisów z wnioskami o publikację. Takiego twórczego zapału nie notuje historia nauki. No cóż, było zbyt pięknie. Większość uznanych fizyków, oczywiście z profesorskimi tytułami, potępiło Zamach na Einsteina (to tytuł artykułu w tygodniku „Polityka”, nr 41, 5.10.2011), a przyczyną tego była nie krytyka jego teorii, tylko obawa naruszenia mitu Einsteina, uznanego przez nich za bezdyskusyjną wyrocznię. Poleciały głowy, prof. Ereditato został zdymisjonowany. Przypomina mi to obyczaje z okresu rządów komunistów w krajach Europy Środkowej.
A 5 miesięcy później, 23 lutego 2012 roku, w „CERN Press Release” ukazało się lakoniczne wyjaśnienie, że powodami ewentualnego błędu pomiarów mogły być dwa czynniki: jeden, który sprzyjał zawyżaniu szybkości neutrin (a więc ten nas raczej nie interesuje), i drugi, który wskutek niestarannego dokręcenia łącznika światłowodowego mógł powodować opóźnienia sygnału GPS do OPERA Master Clock. Zapowiedziano dalsze badania.
Nad czym? Nad poluzowanym łącznikiem światłowodowym? Jak bardzo bulwersująca była ta sprawa, niech świadczy to, że tygodnik „Polityka” ponownie się nią zainteresował i w numerze 24 (13.06–19.06. 2012) opublikował artykuł tego samego autora o wielkim autorytecie naukowym, pod tytułem „Finałowa aria”. Tytuł godny poprzedniego: z tekstu dowiadujemy się, że chodzi o „ostatnią arię tragikomicznej opery”. No cóż, Panie Profesorze, a może jednak to nie „ostatnia” i nietragikomiczna OPERA? I nie Zamach na Einsteina, ale jeszcze jedna okazja do złożenia hołdu temu skromnemu geniuszowi i wyrażenia podziwu dla naukowej etyki współrealizatorów programu OPERA?
Jest złośliwym paradoksem, że twórca teorii względności był szeroko znany ze swoich niezależnych poglądów. Był bardzo podejrzliwy wobec autorytetów i przed nimi przestrzegał. W świetnej biografii Einsteina pióra Waltera Isaaksona (Grupa Wydawnicza Foksal, 2007) znajduje się taka opinia Einsteina, wyrażona w wywiadzie dla „Scientific American” w lipcu 1955:
Dla rozwoju nauki i w ogóle twórczej działalności duchowej potrzebny jest (…) rodzaj wolności, który można byłoby określić jako wolność wewnętrzną. Jest to ta wolność ducha, która polega na niezależności myślenia od więzów przesądów pochodzących od autorytetów i społeczeństwa, a także więzów bezkrytycznej rutyny i przyzwyczajenia.
Szanowni Państwo dyrektorzy i naukowi liderzy programu OPERA! Jak można tak prymitywnie uzasadniać społeczności naukowej świata niewyjaśnione jeszcze wyniki kilkuletnich badań najpoważniejszych międzynarodowych ośrodków naukowych, finansowanych głównie przez podatników wielu krajów? Spytajcie, proszę, swoich techników, nawet przy istnieniu szczeliny w łączniku między zakończeniami włókien transmisja danych może trwać.
Oczywiste wydaje się natomiast to, że szczelina mogła być powodem opóźnień szybkich sygnałów cyfrowych. Jakich? Właśnie, prosiło się o poważną publikację na temat opóźnień sygnału GPS, a następnie zegara-matki, przy rozmiarach szczelin np. 0,0001, 0,001, 0,01 mm. Nie od rzeczy byłaby także odpowiedź na pytanie: czy po „poprawieniu wyników”, a następnie ponownym poluzowaniu łącznika, poprzednie, rzekomo błędne, wyniki powróciły? Wydaje się, że środowiska badawcze solidarne z naukowcami CERN i LNGS, a także szeroka publiczność, zasługują na większy szacunek. W szumie wywołanym przez „obrońców Einsteina” na publiczne docenienie etycznego działania badaczy OPERA jakoś brakło miejsca w mediach, tak naukowych, jak i popularnych. Można się dziwić, że ten brak zainteresowania dotyczy przede wszystkim poważnej prasy europejskiej. Prasa amerykańska nie wykazuje przesadnego zainteresowania tym, co się dzieje w nauce europejskiej, ale za to swoimi mrocznymi sprawami potrafi zająć się nader energicznie. Niech za przykład wystarczy casus kilkuletniej wojny, jaką wypowiedział Federalnej Agencji do spraw Leków (FDA) miesięcznik „Scientific American”, pismo o ponad stuletniej tradycji. Zachęcam do lektury „Świata Nauki”, polskiego wydania „SA”, nr 3, 2018. Czytelnik dowie się stamtąd, że pismo popularnonaukowe może pozwać rządowy organ (chodzi o mroczne współdziałanie FDA z biznesem farmaceutycznym) i wywołać niepokój sfer rządowych, a zapewne i naukowych, czego dowodem jest nieformalne, ale praktyczne ocenzurowanie artykułu w „SA”. Tak, sprawa się toczy w Stanach Zjednoczonych, od 2016 roku do dzisiaj, w państwie znanym z przywiązania do wartości demokratycznych, a szczególnie do ochrony wolności słowa!
A wracając do dramatu z Gran Sasso, po twórczym wspaniałym widowisku, raczej wyjątkowym w historii nowoczesnej nauki, pozostało przykre rozczarowanie i, co gorsza, podejrzenie, że coś zostało ukryte przed społecznością nauki w imię zachowania teorii ogólnie uznanej za „jedynie słuszną”.
2.4 „Widmo” dramatu z Gran Sasso nadal straszy.
Gdy w marcu 2011 roku ogłoszono wyniki pomiarów szybkości neutrin mionowych w ramach programu OPERA, realizowanego wspólnie przez CERN i LNGS, wiadomość nie była zapewne zaskoczeniem dla niektórych innych ośrodków podobnych badań, zajmujących się znacznie wcześniej szybkością neutrin pochodzenia słonecznego, np. w programie MINOS, w rządowo-uniwersyteckim, potężnym ośrodku Fermilab, w pobliżu Chicago. Przyznaję z pewną dozą dumy, ale nie megalomanii, że dzięki tym doniesieniom w 2011 roku byłem już nieźle przygotowany przynajmniej do tego, żeby rozumieć to, co na temat „nadświetlnych neutrin” pisze się w prasie naukowej. Moją pasją było w owym czasie znalezienie sposobu na zwiększenie szybkości światła, choćby o pół kwantu energii, ale bez zmiany jego częstotliwości, w rezultacie czego można by eksperymentalnie potwierdzić lub zanegować szczególną teorię względności. Jest bowiem faktem, że STW nie została uznana jako falsyfikowalna i z tego powodu właściwie nie zasługuje na miano teorii naukowej. Jest po prostu hipotezą, która w zastosowaniach praktycznych (np. GPS lub misje kosmiczne) sprawdza się z wystarczającą dokładnością. Niestety, pozostaje pytanie: z jaką dokładnością? A poza tym, jak poddać falsyfikacji najważniejsze twierdzenie STW o absolutnej niezmienności szybkości światła emitowanego w próżni z obiektu ruchomego? Jakiej dokładności pomiaru wymagałaby taka falsyfikacja? Może nawet rzędu 1 mm/s?
Wyniki OPERY pojawiły się w dobrym dla mnie czasie. Wprawdzie nie chodziło o szybkość światła, lecz o szybkość nieco wolniejszych neutrin mionowych, ale za to „przebojem” programu było to, że pomiary przeprowadzono dla różnych energii kinetycznych, nadanych im „na starcie” w odległym o ponad 700 km CERN-ie. Zakres tych energii był duży: 13,9, 17, 28,1, 42,9 GeV. Ponadto dysponowałem danymi z eksperymentu MINOS z 2007 r. (3 GeV) i eksperymentów z supernową SN1987A (10 MeV).
Idea rozumowania była prosta: jeżeli istnieje graniczna szybkość cząstek materialnych, po przekroczeniu której następuje rozproszenie równoważnej energii cieplnej i/lub jej pragmatropia (przemiana na inną, lżejszą cząstkę w innej pragmie), to w miarę zwiększania energii kinetycznej tej cząstki, jej szybkość powinna rosnąć, ale tylko do granicznej, vgr. Dalsze zwiększanie energii kinetycznej nie zmienia już osiągniętej szybkości. Dla światła taki eksperyment wydaje się niemożliwy do realizacji, dla neutrin zrobiono to w Gran Sasso. Byłem w siódmym niebie, przyznaję. Natychmiast po pamiętnej publikacji preprintu T. Adama i innych arXiv:1109.4897 (22.09.2011, revised 12 July, 2012) zabrałem się za obliczenia szybkości neutrin (autorzy publikowali tylko zmierzone czasy przelotu TOF, Time of Flight, neutrin) dla rozmaitych energii kinetycznych. Masy neutrin miały wpływ na poziom energii kinetycznej, przy której ustalała się wartość szybkości vgr. W tym okresie nie były znane wiarygodne wartości tych mas, w niektórych publikacjach podawano nawet 2,2 MeV, obecnie naukowcy są zgodni, że masy neutrin są zmienne, oscylują w granicach od kilkudziesięciu do kilkuset meV. Był to więc powód, dla którego należało obliczyć Vgr dla wielu zakładanych wartości masy.
Jako ciekawostkę archiwalną na ilustracji 11-1 zamieszczam skan pierwszych wyników takich obliczeń, datowanych na październik 2011′. W późniejszych i być może dokładniejszych obliczeniach uzyskiwałem wartości niewiele rozbieżne, np.:
Podobnie jak dla przypadku pomiarów szybkości światła przez Michelsona (podrozdz. 11-2), możemy pokusić się o ocenę nieoznaczoności szybkości neutrin mionowych według moich nienaukowych obliczeń.
Stosując oznaczenia kolejności działań takie, jak poprzednio, mamy:
Masę neutrin mionowych szacuje się obecnie (jeszcze nie potwierdzone) na ok. 200 meV/c2 dla najcięższych neutrin. Na tym etapie mojej wiedzy zakładam masę mierzonych neutrin na 100 meV/c 2, czyli 0,1783×10-36 kg. Wtedy:
Jeśli prawidłowo rozumuję i obliczam, to zakres nieokreśloności szybkości neutrin w pomiarach LNGS wynosił
Wydaje się niewiarygodne.
Z tych „ błędnych”, jak oficjalnie ogłoszono, danych wynika, że neutrina wcale nie muszą być cząstkami nadświetlnymi. Rodzi się podejrzenie, że to raczej szybkość światła c obowiązująca w nauce jako stała fizyczna jest „podświetlna”, co oznaczałoby, że szczególna teoria względności jest albo błędna, albo w najlepszym dla wszystkich fizyków wypadku błędnie interpretowana.
Zamysł mój z tamtego okresu powstawania tej opowieści przedstawię syntetycznie, przywołując poniżej fragment mojego listu z dnia 31.10.2012 r. do jednego z wybitnych polskich naukowców, który przez krótki czas okazał mi życzliwość, wymieniając ze mną kilka listów. Oto ten fragment:.
Jestem gotów bronić twierdzenia, że wartość szybkości światła, równa 299 792 458 m/s i oznaczana symbolem „c”, jest wartością w pewnym stopniu przypadkową, odnoszącą się tylko do światła widzialnego. Podstawą mojego (i nie tylko mojego) przekonania jest zaprzeczenie bezmasowości fotonów. Masa spoczynkowa fotonu zależy od jego energii, a więc także od częstotliwości, a zatem i szybkość fotonów musi zależeć od posiadanej przez nie masy, będącej masą bezwładną, i od częstotliwości. Tak rozumiana „szybkość światła w próżni” nie nadaje się więc do rangi stałej fizycznej i kosmologicznej.
W swojej „parateorii światła” proponuję zastąpienie w transformacie Lorentza symbolu „c” przez „C0”, którym to symbolem oznaczam szybkość hipotetycznej fali elektromagnetycznej o nieskończenie wielkiej długości (czyli zerowej częstotliwości) i zerowej energii. Taka fala oczywiście fizycznie nie istnieje, jest jednak bytem matematycznym o doniosłym znaczeniu fizycznym, a to z tego powodu, że jest granicą definiującą dwie odrębne „rzeczywistości”. Moje rozumienie „rzeczywistości” jest jednak szersze niż to, jakie demonstrowane bywa w publikacjach popularnonaukowych, a często również w naukowych (np. „Reality” u sir Rogera Penrose’a), i po to, aby samemu nie wpaść w pułapkę nieporozumień terminologicznych, ukułem na swój użytek termin „pragma”, będący skrótem greckiego słowa praghmatikotita, oznaczającego rzeczywistość „klasyczną”.
Upływ czasu nie zmienił mojego radykalnego przypuszczenia i będzie podtrzymywany w tej hipotezie. Dodam tylko krótkie uzupełnienie:
Wielkość, którą w przytoczonym fragmencie listu oznaczyłem (i nadal tak będę robił) symbolem „C0”, ma wymiar szybkości (m/s), ale nie ma sensu jako szybkość fali, ponieważ fala o takiej szybkości nie jest bytem fizykalnym, a jedynie matematycznym. W moim rozumieniu jest stałą fizyczną, ponieważ jest wartością niezależną od parametrów cząstek materii, których ona dotyczy. Właściwości cząstek powinny być charakteryzowane raczej przez stosunek ich rzeczywistej szybkości do C0. Taka wielkość byłaby bezwymiarowa, a więc bardziej uniwersalna.
Wielkość, którą oznaczam symbole C0, powinna być więc traktowana jako stała fizyczna, ale nie jako szybkość światła, bo (powtarzam) światło o takiej szybkości nie istnieje. Proponuję dla tej stałej nazwę „stała dziwnej szybkości światła” (Strange Light Velocity Constant) albo krócej „stała świetlna” (Light Constant). Przymiotnik „dziwny” ma już swoje miejsce w fizyce cząstek, nie powinien więc razić kolokwialnością. Druga proponowana nazwa ma tę wyższość, że jest krótsza i nie sugeruje związku tylko z szybkością światła. Mam przeświadczenie, że po dalszych wyjaśnieniach znaczenia i wyjątkowości tej liczby termin „stała świetlna” okaże się bardziej adekwatny, choć nadal bardzo niedoskonały, bo sugeruje, że odnosi się tylko do światła, a to nie jest prawdą, odnosi się bowiem do wszystkich cząstek materialnych w ruchu.
Istnieje w fizyce bardzo podobny przypadek. Temperatura zera bezwzględnego T0. jest wielkością wymiarowaną w kelwinach, ale przecież taka temperatura nie jest bytem fizykalnym, a jedynie matematycznym. Jeżeli jakieś laboratorium chwali się, że uzyskało temperaturę np. 1 mK, to w gruncie rzeczy jest to wartość równie odległa od T0, jak 1 μK. Wirtualny fizyk, który uzyskałby niewiarygodnym kosztem temperaturę T0, nie cieszyłby się swoim sukcesem, ponieważ stałby się prawdopodobnie martwym kryształem, czyli takim, w którym nie ma żadnych drgań tworzących go atomów.
Podobnie fizyk, który by nadał sobie szybkość względną C0=1, zamieniłby się w obłok energii cieplnej i (jeżeli miałby trochę szczęścia) w jakiś zespół materii o znacznie mniejszej masie, przynależny do ortogonalnej pragmy. Jeżeli przykład z T0=-273,15 K nie przeszkadza fizykom od dziesiątków lat, to dlaczego miałby wzbudzać ich sprzeciw wobec stałej C0, która wydaje się jeszcze bardziej potrzebna w nauce?
W tym miejscu opowieści wartość liczbowa C0 jest nam jeszcze nieznana. Usunięcie tego braku zobowiązuje autora, w przeciwnym wypadku opowieść będzie dalece niekompletna, a jej czytelnik może się poczuć oszukany. Poświęcę temu problemowi jeden z następnych podrozdziałów.
Chcę także uprzedzić, że tytuł tego podrozdziału i jego tymczasowe zakończenie nie wyczerpuje tematu. Temat jest na tyle ważny, że powrócimy do niego jeszcze w następnej części, po nowych wyjaśnieniach w ramach przedstawianych tu koncepcji.
Ilustracja 11-1. Przykład obliczeń szybkości neutrin wkrótce po ogłoszeniu w 2011 r. wyników pomiarów LNGS/CERN i rzekomej nadświetlności neutrin mionowych.