Fénynél gyorsabb neutrínók és a Kvantum-radar
A CERN pénteki bejelentése igazi tudományos szenzációként robbant a médiában. Mi sem tétlenkedtünk a háttérben - nyárvégi összefoglalónk, képtelenségekkel.
Ahogy az már nem egyszer előfordult, az Időkép április elsejei, bolondosnak tűnő bejelentéseiről időnként kiderül, nem csupán tréfáról van szó. És bár eszünk ágában sincs magunkat a világ legfejlettebb részecske-kutató intézete, a CERN több ezer nagy tudású fizikusaiból álló tudóscsapatához hasonlítani, lehetőségeinkhez képest mi is elkövetünk minden őrültséget, ami a józan ész és a tudomány megingathatatlannak hitt alapvetéseit veszélyeztheti.
Előbb azonban ejtsünk néhány szót a - nem kevésbé lehetetlennek tűnő - hétvégi sajtótájékoztató, illetve a mérési eredmények jelentőségéről.
A tények, nagyon röviden
A Svájcban kibocsájtott neutrínókat több, mint 700 km-re délkeletre, az olasz Appeninekben a közel 3000 méter magas Gran Sasso hegy gyomrában működő vevőállomás érzékelte, és a 10 nanoszekundumos mérési hibahatárhoz képest azt tapasztalták, hogy a neutrínók 60 nanoszekundummal korábban érkeztek meg, mint az a fény sebességével haladva lehetséges volna. Ha ezt a következő években független mérések is megerősítik, az egész mai, Einsteni reletivitáselméletre, illetve annak alapelemeire működő fizikai világképünk összeomlik, pontosabban érvényét veszti (illetve, a ma ismert fizika csupán a "valóság" egy speciális alesetének minősülhetne).
Aki a hazai médiában megjelent cikkek mellett a közel 2 órás, élőben sugárzott előadást is végignézte, alighanem mélyen meggyőződhetett arról, hogy a mérésen dolgozó közel 150 fizikus elképesztően alapos munkát végzett a mérési hibák kiküszöbölése érdekében. A neutrínókat kibocsájtó ill. vevő oldal távolságát +-20 cm-es pontossággal határozták meg, még azt is figyelembe véve, hogy egy 2009-es földrengésben mintegy 7 cm-el közelebb került egymáshoz a két pont (60 ns alatt közel 18 métert tesz meg a fény, tehát a távolságok pontossága bőven elegendő).
Az időszinkronitást kettős visszacsatolású, 1 mikroszekundumos GPS/1PPS-jel kiindulási alapú, cézium-rezonancia korrekcióval erősítették, amit még egy teljesen független, harmadik rendszerrel is ellenőriztek. Ennek alapján a két hely közötti időeltérés pontatlansága maximum +-10 ns lehetett. Márpedig a neutrínók 60 ns-al korábban érkeztek, ami a hibahatár több, mint ötszörös túllépése; a tudományban ez már bőven statisztikai bizonyosságot jelent.
Az eredmények komolyságát jelzi, hogy a kísérleti jegyzőkönyvet köbb, mint 130 (!), a kutatásban részt vevő, illetve a méréseket ellenőrző tudós írta alá, amelyet teljes terjedelmében itt olvashatnak érdeklődő nézőink.
Mit jelent mindez, ha független kísérletek is igazolják a jelenséget?
Nos, (fizikai világképünk összeomlásán kívül) hosszú távú következményeit még elképzelni is nehéz, de nem zárhatóak ki olyan elképesztő felvetések sem, mint mint például a jövőből a múltba haladó részecskék léte, esetleg a negatív tömeg(?), vagy éppen az ok-okozati viszony megfordulása és a logika alapvető fogalmainak értelmetlenné válása.
Van harmadik lehetőség?
Azaz lehetséges, hogy a mérés helyes, ám a neutrínók mégsem haladnak fénysebességnél gyorsabban? Nos igen, legalább egy kézenfekvő megoldás adódik, amely meghagyná az Einsteini relativitáselmélet igazságait, ám egyben bizonyítaná a 4. (vagy annál is több) térdimenzió létét, sőt, annak átjárhatóságát is.
Képzeljük el, hogy a fény egy síkban halad (egy képzeletbeli, áttetsző "papírlap", vagy éppen írásvetítő fólia felszínén), és tudjuk, hogy nem tud gyorsabban menni c-nél ebben a síkban mozogva. Így ha ezen a síkon kjelölünk egy A és egy B pontot, akkor a felszínen értelmezett távolság arányában egyszerűen nem tud korábban odaérni egyik pontból a másikba, mint azt c (a fénysebesség) lehetővé teszi.
Igen ám, de mi történik akkor, ha ezt a "papírlapot" vagy fóliát meghajlítjuk a térben? Így A és B pont a felszínt követve ugyanolyan messze van egymástól, ám ha a fény "kiléphet" ebből a magasabb dimenzóban meghajlított sík felszínéből, akkor egyszerűen "átvághatja" A és B pont között a távolságot, és sokkal-sokkal gyorsabban érhet el egyik helyről a másikra, mint az a felszínen lehetséges volna.
Most képzeljük el, hogy a mi 3 térdimenziónkat is meg lehet hajlítani (vagy valamiért, például a gravitációs tér által eleve meghajlik) egy magasabb, 4. térdimenzióban - amit mi ugyan nem érzékelünk, de attól még létezhet. Ekkor a három dimenziós terünk belülről nézve ugyanolyan marad, de bizonyos pontjai között létezik olyan - 4. dimenzióban értelmezett - út vagy egyenes, amelyen a fény vagy más részecskék rövidebb úton érhetnek el egyik pontból a másikba. Ehhez azonban - az út egy részében legalább - ki kell lépniük a háromdimenziós térből, azaz az általunk ismert világból, az Alpok vonulatai "alól". Bár háromnál több térdimenziót még elképzelni is nehéz, nemhogy képernyőn szemléltetni, de néhány zseniálisan megkomponált vizualizáció segíthet ebben -
Miért éppen a neutrínók?
Nos, a neutrínó egy igen titokzatos faj a részecskék leptonok, fermionok és bozonok családjaiból álló, a hadronok nemzetségét is hordozó, fel és le, bájos és furcsa kvarkoktól hemzsegő népes állatkertjében; még ma is alig tudunk róla valamit. Sokáig abban sem voltak biztosak a kutatók, hogy van-e egyáltalán tömege; bizonyos állapotváltozásai azonban arra engedtek következtetni, hogy szinte bizonyosan nem nulla a kérdéses jellemző (alsó becslések léteznek jelenleg erre is). Mindemellett szellemrészecskének is hívják a kutatók mind a mai napig, mivel olyan hihetetlenül ritkán lép érzékelhető kölcsönhatásba az anyaggal, hogy akár fényévnyi vastagságú acélfalon is zavartalanul átrepül többségük - mintha ott sem volna az akadály - nem is beszélve a Földről és akár a saját testünkről, amin szintén milliószámra hatolnak át másodpercenként.
Érdekes eljátszani a gondolattal, hogy a neutrínók talán éppen azért lépnek ilyen ritkán kölcsönhatásba az anyaggal, mert talán létezésük nagy részét nem is a mi 3+1 dimenziós terünkben töltik, hanem haladásuk során ide-oda oszcillálnak magasabb dimenziószámú téridők és az általunk érzékelhető világegyetem között (az pedig már csupán cikkünk szerzőjének magánvéleménye, semmiképpen sem tudományos tény; mindenesetre kiválóan összecseng a Kvantum-radar c. cikkünkben ismertetett multidimenzionális hiperhullámok elméletével).
Hogyan tovább?
Ahogyan az várható volt, nem sok olyan intézmény létezik a világon, amely a CERN-től teljesen függetlenül igazoli vagy cáfolni tudná az elképesztő eredményeket. A Chicago mellett működő Fermi kutatólabor az egyik lehetőség (ahogy már korábban is mértek a fénysebességnél gyorsabban haladó neutrínókat, igaz, akkor mérési hibahatáron belül); a másik a Japánban éppen nem működő részecskefizikai kutatóintézet, amely a tavaszi cunami óta még nem indulhatott újra. Akárhogy is; a következő hónapokban feltehetően tudósok tízezrei fogják a CERN jelentését ízekre szedni, lehetséges mérési hibák után kutatva - és remélhetőleg mielőbb megszületik a kísérlet másolata az Egyesült Államokban, a Távol-Keleten, vagy akár - műholdak segítségével - a világűrben is.
Hogy jön ide a kvantum-radar?
Bár relativisztikus neutrínókkal kísérletezni elég drága mulatság, az Időkép késleltetett-választásos kvantumradír-jelenség kiterjesztésén alapuló - a jövő, és/vagy a hipertér (szintén csak a fénynél gyorsabb információ-átvitellel kivitelezhető) jellemzőinek távérzékelését megcélzó - ún. Kvantum-radar kísérlet megépítése már idén tavasszal elkezdődött.
A szükséges optikai elemek közül a legegzotikusabb és egyben legdrágább (gyémántnál is jóval értékesebb), foton-hasításra ill. összefonódott fotonpárok keltésére szolgáló speciális, nemlineáris béta bárium-borát kristály (BBO) már év elején megérkezett hozzánk; ezt kicsivel később követte az UV-közeli, 405 nm-es hullámhosszú, 100 mW teljesítményű (szemmel alig látható, ám annál nagyobb energiájú) kék lézerforrás.
Szintén megérkeztek az infraszűrők és a lineáris polarizátorok is; hiányoznak azonban az optikai tartóelemek, lézertükrök, nyalábosztók és az igencsak költséges fotonszámlálók; továbbá az infra CCD-k és lencsék, aktív hűtők és egyéb kiegészítők sem állnak még rendelkezésre.
Jó hír viszont, hogy megvan a helyszín, amely egy - egyelőre még nem publikus - közel 3 kilométeres kifutóval, illetve sík mezővel rendelkező repülőtér, ahol éppen most építjük ki a két pályavég és a torony közti internetkapcsolatot.
Az első, nagy felbontású fotók
...amelyek (még nem kültéren, sőt még csak nem is laboratóriumi körülmények között), hanem egyszerűen egy sötétített tükörüveg asztalon, némi háttérfény mellett, 30 mp-es expozícióval készültek (5 mW-osra csökkentett intenzitású, 405 nm-es UV-közeli sugárnyaláb, valamint a - nem túl precízen beállított - BBO kristály segítségével). A fotózáshoz olyan fényképezőt használtunk, amelynek infra-szűrője eltávolítható, így volt elméleti esély a keletkező, kvantumfizikai szinten összefonódott, 810 nm-es (infravörös) kilépő fotonpárok statisztikai sokaságának halvány, piros tartományban jelentkező fénykúpjának megörökítésére.
Az alábbi képek körülbelül egy hónappal ezelőtt, a nyár második felében készültek, voltaképpen tisztán kíváncsiságból - hiszen még ha látszik is a képen az összefonódott fotonnyaláb a fényképezővel semmilyen mérést nem lehet végezni rajtuk, csupán a jelenlétüket érzékelni (elméletileg a belépő, kék lézernyaláb optikai tengelyéhez képest durván +-3 °-os szögben lépnek ki az infra kvantumpárok a kristályból).
A felvételeken a forráslézer felett nem sokkal kivehető egy halványan derengő, vörös félkör-ív egy részlete, amely talán a fotonhasítás során keletkező fénykúp ragyogása; ám az is lehet, hogy lencsebecsillanás, és semmi köze az SPDC folyamathoz. Biztosabbat egyelőre - saját fotonszámláló hiányában - csak az SZFKI laboratóriumában tudhatunk meg, remélhetőleg néhány hónapon belül (lásd - Köszönetnyilvánítás)
(A képek módosítatlan, teljes felbontású eredetije az alábbi fotókra kattintva tölthető le)
Köszönetnyilvánítás és a folytatás
Kísérletsorozatunk előkészítésében eddig nyújtott, közvetlen vagy közvetett segítségért szeretnénk kiemelt köszönetet mondani, időrendben
- Dr. Paul Werbosnak, az Egyesült Államokbeli National Science Foundation elnökének,
- Dr. Barbara Hoelingnek, a Kaliforniai Politechnikum kvantum-optikai kutatójának,
- Dr. Egon Wankenak, a Düsszeldorfi egyetem matematikusának, (aki egyben a Blitzortung villámlokalizációs rendszerének létrehozója és fenntartója is),
- A Magyar Tudományos Akadémia Szilárdtest- és Optikai kutatóintézetének Kristályfizikai, Kvantumoptikai- és Kvantuminformatikai Osztályáról Kis Zsoltnak és kollégáinak,
- Az (egyelőre nem publikus) repülőtér vezetésének, tulajdonosi körének és az irányításnak,
A legkorábbi részeredmények megszületését ideális esetben késő őszre, esetleg kora tavaszra várjuk. Amint a kísérleti elrendezés összeállt, és bizonyos elővigyázatossági intézkedéseket is megtettünk, természetesen részletes - fotókkal is gazdagon illusztrált - helyzetképpel jelentkezünk majd, a kísérlet igen látványos helyszínének bemutatásával.
Nagy Gergely
2011. szeptember 25.
Időkép.hu
