4. Neutrina – fakty obserwacyjne w konfrontacji z dzisiejszym widzeniem spraw

   Innemu, niż tradycyjne, modelowaniu neutrin sprzyjają wyniki badań doświadczalnych i obserwacyjnych. Tu mowa przede wszystkim o tzw. oscylacjach neutrin, świadczących o tym, że posiadają one niezerową masę. Sprzyja też „afera operowa”, opisana wcześniej, a także odkrycie astronomiczne, którego wyniki jakoś udało się (Czy na siłę?) wyjaśnić, a właściwie zinterpretować z dochowaniem wierności obowiązującym paradygmatom. (Chodzi o supernową 1987A w Wielkim Obłoku Magellana, odległą o ok. 168 tysięcy lat świetlnych ). Okazało się, że neutrina z tego wybuchu dotarły do nas z wyprzedzeniem w stosunku do światła (wybuch optyczny zaobserwowano około trzech godzin po impulsie neutrinowym). Wyciągnięto stąd wniosek, że neutrina poruszają się... wolniej od światła („mają przecież niezerową masę”), gdyż „gdyby poruszały się szybciej, to wobec tak dużej odległości, przybyłyby powiedzmy o kilka lat wcześniej” (na podstawie tekstu z Wikipedii, wklejonego w pierwszym poście tej serii (Σ). Czy to jedyna możliwość?   

    Zastanawiające, jeśli nie symptomatyczne, że informacje o wyprzedzeniu przez neutrina świetlnej racy wybuchu, dziwnym trafem omalże zniknęły z sieci. Trudno dokopać się ich. Chyba nie po to, by nie dać pola do popisu domorosłym astronomom. Czy jako zupełnie nieistotne w związku z banalnością przyczyny tej bądź co bądż zaskakującej obserwacji? Czy obserwacja ta naprawdę potwierdziła w całej rozciągłości oczekiwania (że neutrina poruszają się z prędkością światła, albo z prędkością mniejszą)? To skąd zaskoczenie w pierwszej chwili, pomimo „potwierdzenia oczekiwań”? Dziś wyjaśnienie w wielu artykułach, w sieci i w licznych czasopismach, stało się nagle „przewidywaniem”, co uczyniło fakt wyprzedzenia światła przez neutrina, mało ważną błahostką. Sądzi się zatem, że wybuch optyczny poprzedziła emisja neutrin i sprawa załatwiona. Jednakże, jeśli poprzedziła dajmy na to o godzinę, a neutrina poruszają się wolniej („to oczywiste”) od światła, to przy odległości ponad stu tysięcy lat świetlnych powinny dotrzeć do nas mimo wszystko znacznie później niż fotony, nawet całe lata od momentu zauważenia wybuchu, a nie poprzedzać światło, które już dawno wyprzedziło je... (patrz uwaga (Σ) powyżej) – to tak na chłopski rozum. Jeśli prędkość neutrin jest mniejsza, niż c, czyli należą one do naszego podświetlnego świata, to światło względem nich (niezależnie od ich prędkości względem nas), ma prędkość c, a więc wyprzedziło je w ciągu krótkiego czasu, powiedzmy, że godziny i dotarło do nas po 168 tysiącach lat. A neutrina? Te się dalej telepią... Argumentacja ta jednak nie przekonuje, gdyż dotyczy wyłącznie układu odniesienia związanego z neutrinem, z tym, co ono „stwierdza”. Coś innego otrzymamy w układzie odniesienia „spoczywającym”, związanym z obserwatorem na Ziemi. Z punktu widzenia obserwatora bowiem (względem niego neutrino porusza się prawie z prędkością światła), na przebycie odległości 168000 lat świetlnych, światło potrzebowało oczywiście tę samą liczbę lat. Jeśli neutrina stamtąd miały prędkość, powiedzmy równą 0,99999 prędkości światła, to na przebycie tej drogi potrzebowały o 1,68 lat więcej. Niech licealiści policzą. Jeśli neutrina z supernowej wyemitowane zostały powiedzmy, że o godzinę wcześniej, niż światło, to różnica ta zostałaby z łatwością zniwelowana. Ktoś mógłby jednak powiedzieć, że „w gruncie rzeczy neutrina poruszają się z prędkością światła, a znikoma różnica nawet kilku godzin jest nieistotna i odpowiada opóźnieniu emisji światła względem emisji neutrin. Więc wszystko w porządku i nie ma o co kruszyć kopii.” Według mnie podejście to jednak nie jest słuszne. W związku z niezerową masą, neutrino nie porusza się z prędkością światła. Dla obserwatora spoczywającego, jeśli neutrino porusza się z prędkością podaną wyżej (dla przykładu), a mimo to przybyło o trzy godziny wcześniej niż światło, to powinno było być wyemitowane o 1,68 roku wcześniej, niż fotony. Ta różnica trzech godzin w porównaniu z różnicą czasu wędrówki, nie ma więc żadnego znaczenia. Różnica w czasie między emisją neutrin, a emisją światła, podczas wybuchu supernowej powinna była być znacznie większa niż kilka godzin w związku z bardzo dużą odległością do przebycia, powinna być liczona na lata. Ale to nie jest realne, chyba, że w rzeczywistości sam wybuch trwa latami i tylko przypadkiem różnica wyniosła trzy godziny. Jak wiemy z obserwacji, wybuch trwa znacznie krócej. Coś tu się nie zgadza, nawet jeśli „Wszystko jest OK”. Czy ktoś zechce zmienić model wybuchu supernowej? Byłaby to zmiana dosyć drastyczna, nie uzasadniona przez obserwację. Co dalej? Proponowane wyjaśnienie, jak widać, posiada spore luki. Jeśli zatem wykryte neutrina rzeczywiście wyemitowane zostały przez rzeczoną supernową, to fakt zarejestrowania ich wyraźnie przed widomym wybuchem, byłby potwierdzeniem nadświetlnej prędkości rozchodzenia się neutrin – w każdym razie opcja ta staje się realna (jako opcja). Jaka jest więc ta (domniemana) nadświetlna prędkość neutrin? Bardzo bliska prędkości światła. Wszak różnica czasu trzech godzin w porównaniu z czasem odpowiadającym odległości jest naprawdę znikoma.

Mamy więc tu do czynienia z neutrinami o bardzo dużej energii. Swoją drogą, czy to absolutnie pewne, że zarejestrowane neutrina pochodzą z naszej supernowej? Przecież to wszystkiego kilkanaście zarejestrowanych neutrin. Pewność uzyskalibyśmy gdyby znów wybuchła jakaś supernowa w stosunkowo niewielkiej odległości.  

[Tak na marginesie, dodajmy do tego, że jeśli neutrino porusza się szybciej niż światło, to nie ma mowy o dylatacji czasu znanej ze szczególnej teorii względności, nie ma też mowy o masie relatywistycznej. To coś nowego.]

   Wracając do opisanej wyżej obserwacji, warto dodać, że to jedyna gwiazda znana i obserwowana jeszcze przed wybuchem – fantastyczna okazja do badań, myślę, że wykorzystana należycie. Interesujące i znamienne przy tym jest to, że chodzi o niebieski młody nadolbrzym, a nie o czerwony nadolbrzym, jeszcze masywniejszy i ewolucyjnie zaawansowany – tak się dziś sądzi o ewolucji gwiazd i o wybuchach supernowych. Do dziś jesteśmy zaskoczeni (i wciąż zaskakiwani także wielu innymi rzeczami pomimo, że „prawie wszystko już rozumiemy”). Ale kroczymy dumnie naprzód, gdyż zawsze w zanadrzu mamy czarne dziury.

   Moje podejście jest inne, inne do tego stopnia, że antycypuje wspomniane wyniki doświadczeń i wyjaśnia wspomnianą obserwację w sposób koherentny (niezależnie od tego, że emisja neutrin nastąpić mogła rzeczywiście jeszcze przed emisją fotonów). W dodatku antycypuje bez wysługiwania się czarnymi dziurami. Jeszcze nie znaczy to, że wyjaśnia poprawnie.  Ale wyjaśnia. Przekonacie się o tym szczególnie w ostatnich postach tej serii. Tam pozwoliłem sobie na wstępne modelowanie matematyczne tego, co tutaj stanowi zbiór (moich) przypuszczeń – już chyba można powiedzieć, że czymś uzasadnionych. [Na razie nikt ze znawców nie podważa ich. Bo nie wiedzą co z tym począć? Bo nie mają argumentów? Nie. Bo nie chcą czytać. Nie po raz pierwszy publikuję.]

Mimo wszystko, nie bacząc na czekające mą pracę przeciwności losu, rozważę opcję nadświetlnej prędkości neutrin, gdyż, jak się okaże niebawem, posiada ona spory ładunek heurystyczny. Warto spróbować, choćby po to, by uwydatnić słuszność dzisiejszego widzenia spraw.

    [Widzenia? Jak krótkowidz bez okularów? Czego? Białych plam? Dzisiaj neutrino stanowi, nie krępujmy się, wielką niewiadomą pomimo dużego postępu w ostatnich latach. Postępu? Tak. W pogłębieniu zrozumienia, że nie rozumiemy. Tu przydałaby się zmiana podejścia.]

3. Jak to jest właściwie z energią neutrin?

  Przecież nie wystarczy bezpośredni wniosek wypowiedziany powyżej, wykluczajacy istnienie zerowej prędkości (i energii kinetycznej). Kluczem do jej określenia jest rozpad (β) beta określonej porcji jakiegoś pierwiastka promieniotwórczego, związany z rozpadem neutronu. Interesujące jest widmo energetyczne jednego z produktów tego rozpadu, 

elektronów (innych cząstek w tym rozpadzie nie rejestruje się). Ilustruje to wykres – na nim: N – liczba elektronów. Widzimy, że jest to widmo ciągłe, co oznacza, że w określonym przedziale reprezentowane w nim są wszelkie energie, nie większe jednak od pewnej granicznej, maksymalnej. Badania wykazały, że energia jąder emitujących elektrony nie jest zależna od rozrzutu energii elektronow przez nie emitowanych. Na pierwszy rzut oka jest to sprzeczne z zasadą zachowania energii. Nie są spełnione także zasady zachowania pędu i krętu, co uwidacznia się w analizie torów emitowanych elektronów i ich spinów, a także spinów jąder emitujących te elektrony. Wprowadzenie do gry neutrina natychmiast rozwiązuje ten problem. [Istnienie neutrin przewidział Wolfgang Pauli w roku 1930, a nazwę neutrino zawdzięczamy włoskiemu fizykowi Enrico Fermiemu.] Wszystkie trzy podstawowe zasady zachowania są spełnione potwierdzając swą uniwersalność. Sprawdzian spełnialności tych zasad stanowi nawet procedurę badawczą. Powróćmy do neutrina. Przyjmijmy na początku lojalnie, że jego prędkość mimo wszystko równa jest c (co oznacza, że jego masa spoczynkowa równa jest zeru). Co więc stanowi o zróżnicowaniu energii neutrin? Wszak rozkład energii elektronów (nasz wykres) wiąże się z tym bezpośrednio. Czy częstotliwość? Czego? Z całą pewnością nie promieniowania elektromagnetycznego (E = hn), z wiadomych powodów. Może jakiejś „fali neutrinowej”? Oj, nie mnóżmy bytów! Uzasadniona byłaby więc hipoteza, że masa neutrin jest różna od zera, a ich prędkość siłą rzeczy większa jest od c (wykazaliśmy, że mniejszą być nie może). I nie ważne jak my tę masę widzimy (naszą wyobraźnią) za pomocą fotonów. Zróżnicowanie energii emitowanych antyneutrin związane jest więc ze zróżnicowaniem ich prędkości*, w każdym przypadku większych od c, zgodnie z powyższymi przemyśleniami.

    Mówiąc o energii neutrin mam więc na myśli właściwie tylko energię kinetyczną, choć określoną przez energię potencjalną w momencie ich oderwania się od panelsymonu w fazie urela (patrz artykuły poświęcone plankonom). Ta energia kinetyczna jednak, wbrew naszemu „podświetlnemu widzeniu spraw” nie zależy od układu odniesienia (jest dla nas jakby niezmiennicza). W samej rzeczy. Względność ruchu oznacza możliwość istnienia zerowej prędkości względnej, co nie jest możliwe gdy mowa o obiekcie poruszającym się z prędkością nadświetlną. Dla obserwatora posługującego się fotonami, pomiar prędkości neutrina nie jest możliwy. Pewne jednak, że jest zróżnicowana, w związku z oczywistym zróżnicowaniem energii kinetycznej emitowanych elektronów. Świadczy o tym opisany powyżej rozkład energii elektronów emitowanych w rozpadzie beta. Tak nawiasem mówiąc, to by też oznaczało, że widmo prędkości (energii) neutrin jest ciągłe – w każdym razie w spojrzeniu fenomenologicznym.

     Wykrycie neutrin w bezpośrednim pomiarze, w związku z konkludowaną tutaj ich nadświetlną prędkością, nie jest (w świetle powyższych rozważań) możliwe. [Właściwie niemożliwość bezpośredniego odkrycia (np. zaobserwowania toru jego ruchu) konsystentna jest  z hipotezą o nadświetlnej prędkości tej cząstki.] Nawiasem mówiąc, nie jest też możliwe z powodu nieuczestnictwa ich w oddziaływaniach elektromagnetycznych. I rzeczywiście, ich detekcja ma charakter pośredni, a polega tylko i wyłącznie na wykrywaniu zmian spowodowanych przez reakcje neutrin z materią, na wykrywaniu rozpadów. Jednakże możliwa jest (jak na razie) tylko detekcja neutrin wysokoenergetycznych. Gdyby ich energia zależała od układu odniesienia, ich bezwzględna wysokoenergetyczność byłaby pod znakiem zapytania, jako wielkość o charakterze lokalnym. Upodabnia to neutrina do fotonów, w każdym razie gdy chodzi o niezmienniczość ich energii. Wszystko to zaskakuje (nawet mnie). Czyżby należałoby w związku z tym wymyślić nową zasadę względności i nową transformację, ogólniejszą, niż tr. Lorentza, a uwzględniającą możliwość ruchu z prędkością ponadświetlną? Bardzo możliwe. To chyba nawet rzecz wykonalna. W czwartej części tego eseju znajdziecie pewne sugestie. Młodzi, do roboty!     

     Reasumując stwierdzić możemy, iż sąd, że neutrino znajduje się po drugiej stronie osi c, ma spore szanse by odpowiadać prawdzie. Bazując na tym sądzie zauważmy dodatkowo, że w tych warunkach ewentualny obserwator pomimo, że należy do naszego świata, nie ma żadnej wątpliwości, rozróżniając jednoznacznie neutrino i antyneutrino (nie ważne jak mu się to uda, gdyż posługuje się przecież fotonami). Co on naprawdę zaobserwuje, stwierdzimy w dalszym ciągu naszej fantazji. Nawet jeśli obserwatorem jest samo neutrino we własnej osobie, bez cienia wątpliwości rozpozna ono swego partnera. Dodajmy, że jego masa nie musi już być zerowa, nawet nic nie staje na przeszkodzie, by była na przykład liczbą zespoloną…w oczach obserwatora posiadającego oczy. Wówczas też masa dana naszym pomiarom byłaby częścią rzeczywistą tej liczby zespolonej (teoretycznie możliwe, że zmierzającą ku zeru, gdy prędkość neutrina dąży od góry do c – zobaczymy to później). Tylko w tym przypadku bowiem masa ta może być bardzo mała pomimo prędkości bliskiej c (nieco od niej większej). [Chodzi o tzw. masę relatywistyczną.] Taki właśnie był wynik doświadczenia przeprowadzonego w Los Alamos, wspomnianego już kilkakrotnie. Należy sądzić, że wyniki te są w pełni wiarygodne.   

     W dzisiejszej interpetacji tego pomiaru masy, podkreśla się, że wyznaczona w Los Alamos (i w innych miejscach) masa jest masą spoczynkową – chyba raczej po to, by uniknąć nieporozumień, a przede wszystkim nadmiernego drążenia przez ciekawskich. Dalej przekonamy się, że nie koniecznie chodzi o masę spoczynkową. Wprost nie może to być masa spoczynkowa, wbrew temu, co się sądzi. To przecież nie jest możliwe. W poprzednim poście stwierdziliśmy bowiem, że neutrina nie mogą być w spoczynku (prędkość zerowa). W kontekście tym nie ma więc znaczenia wielkość masy relatywistycznej, tym bardziej, że ten rodzaj masy wykreślono z rejestru („jako wyłącznie współczynnik przy wyznaczaniu pędu lub energii kinetycznej”). Z całą pewnością jednak, patrząc na to fenomenologicznie, możemy oczekiwać, że  masa powinna być bardzo duża, zważywszy na domniemaną (podświetlną) prędkość neutrin. Chodzi więc o aktualną interpretację wyników badań. Sama „spoczynkowość” tej masy jest jednak decyzją arbitralną badaczy. „To przecież niemożliwe, aby przy tak wielkiej prędkości, wprost ocierającej się o c, masa była tak mała, a poza tym masa relatywistyczna ma charakter względny, więc nie może stanowić o wynikach pomiaru, które powinny być jednoznaczne.”. Z dalszych rozważań (naszych)  wprost wynika, że masa neutrin jest tym mniejsza, im większa jest ich energia i dąży do zera gdy ich prędkość dąży do c – myśl ta pojawiła się już powyżej. 

     Można jednak rzecz interpretować inaczej. Powyżej przecież zauważyliśmy (patrz fragment zapisany tłustym drukiem), że neutrino nie może być w spoczynku, co stanowiło dość ważki argument za tym, że jego prędkość większa jest od c. W następnym paragrafie stwierdzimy wprost, uzyskamy potwierdzenie tezy, że neutrino nie może mieć w ogóle masy spoczynkowej, gdyż wyodrębniło się w momencie, gdy jego prędkość przekraczała nieznacznie c, a prędkość neutrin, które wyodrębniły się później, pod koniec Ureli, była nawet znacznie od tej większa. [Z tą prędkością c to niedokładnie tak. Neutrina, wyodrębniając się, nic o tej prędkości nie wiedziały. Ekspansja przyśpieszała gwałtownie, jeszcze podczas ureli pojawiły się neutrina. Gdy doszło do przemiany fazowej, a ekspansja zaczęła przebiegać zgodnie z prawem Hubble’a, neutrina były już poza tym interesem. W tym właśnie sensie ich prędkość jest większa, niż niezmiennicza prędkość ekspansji, jakby należały do innego świata. Większa w zgodności z tym, że dyssypacja urelowskiej energii kinetycznej nie dotyczyła neutrin.]  

     Czy zatem rzeczywiście wyznaczono jego masę spoczynkową? Chyba raczej część rzeczywistą jego masy zespolonej. Nie było więc problemu z masą relatywistyczną, a zastrzeganie się, że chodzi o masę spoczynkową, miało bardziej znaczenie polityczne, niż fizykalne.  Zobaczymy to niebawem.   

     Hipoteza o prędkości nadświetlnej neutrin, w świetle powyższych konkluzji  wydaje się być dość logiczną. Wszak neutrino nie uczestniczy w oddziaływaniach elektromagnetycznych. A może istnieje jakiś czynnik fizykalny (a nie czyjś pogląd bazujący na tym, czego „go uczono”) wykluczający wymienioną możliwość? Jeżeli tak, to proszę o wskazanie go. W międzyczasie załóżmy, że nie istnieje. Jeśli tak, to sprawy należy widzieć „w innym świetle”. Jak się okaże, przedstawiona tu hipoteza pozwoli na opis bardziej koherentny pewnych faktów przyrodniczych, bez uwarunkowań i ograniczeń, którym poddane są wszelkie obiekty należące do królestwa elektromagnetyzmu. Czyż zatem wyznaczona doświadczalnie masa neutrin świadczy automatycznie o tym, że ich prędkość jest mniejsza niż c? A może ta wykrywalna masa stanowi drobny koniuszek góry lodowej? Mimo wszystko istnieje także jakaś możliwość tego, że jednak masa neutrin równa jest zeru. Tę ewentualność zostawiłbym jednak na koniec, gdyby okazało się, że założenie o niezerowej masie prowadzi do sprzeczności. Aktualnie zaczyna dojrzewańć przekonanie, że masa neutrin nie jest zerowa. Jak już wspomniałem, oczekiwania te bazują między innymi na  pomyśle o istnieniu oscylacji neutrin. Dla przypomnienia, tym tłumaczy się „niedostateczne” natężenie neutrin słonecznych. Doświadczenia zdają się potwierdzać istnienie oscylacji. Zatem, czy rzeczywiście prędkość neutrin jest (jednak, mimo wszystko) mniejsza od c? To by odpowiadało dzisiejszemu widzeniu spraw, pomimo, jeśli nie sprzeczności, to  wyraźnego niedopasowania.

     Jakie jest to dzisiejsze widzenie? Sądzi się, że znaczenie stałej c jest dużo głębsze niż by to wynikało z jej elektromagnetycznego rodowodu (i chyba słusznie, choć z innego powodu). Pogląd ten skonkretyzować można w następującym zdaniu: „c jest prędkością obiektów (cząstek) pozbawionych masy spoczynkowej, niezależnie od ich właściwości, ich zaszeregowania w hierarchiach struktur przyrodniczych, a także rodzajów oddziaływań, w których uczestniczą.”** Wynikałoby stąd, że prędkość neutrina co najwyżej równa jest c. Stała c jest więc granicą absolutną. Dla wielu jest to oczywiste i „zrozumiałe samo przez się”. A jednak zdanie powyższe wzbudza odczucie wewnętrznej niespójności, a przy tym brzmi jakby trochę dogmatycznie jako imperatyw, a nawet aksjomat; wzbudza (być może tylko na mniej douczonych) wrażenie wykrętu wobec czegoś, co nie daje się rozgryźć. W moim odczuciu jest anachroniczne, bo gdy wracamy do neutrina, w gruncie rzeczy nie rozwiązuje ono dylematu jego prędkości, choćby w związku z istnieniem skrętności i jego niezerową masą. Twierdzenie powyższe, jak sądzę, można więc uznać za kolejny etap na drodze (odwiecznej) ku zrozumieniu istoty rzeczy. Załóżmy jednak, że wszystko w porządku i tylko „ja” nie rozumiem sedna. Zatem należy pytać. Kto pyta, ten się…pogrąża…Czy uogólnienie zawarte w twierdzeniu tym nie jest raptem wyrazem dogmatyzmu interpretacyjnego, ograniczającego zakres stosowalności teorii? Na przykład, rzeczywiście zerowa masa dana obserwacji nie musi świadczyć o prędkości obiektu równej c. Może przecież świadczyć też o jego prędkości nadświetlnej wskutek niewykrywalności za pomocą fotonów. Być może granica „c” nie stanowi wcale końca rzeczywistości przyrodniczej, końca istnienia. „Czyż nie stanowi ściany, absolutnego muru, za którym istnieje tylko nieistnienie?” Filozofia, przynajmniej tutaj, odrzuca granice. Zatem mur ten, sądząc po dzisiejszym pojmowaniu sprawy, a właściwie zgodnie z dzisiejszą wyobraźnią, powinien być niewidzialny, a wszelka możebność kończyć się powinna jeszcze na przedmurzu. A może jednak jakiś sens Istnienia, istnieje dla tego, co stanowi drugą stronę? Czego? Lustra? „Tylko małpy szukają czegoś po drugiej stronie lustra. To zresztą bardzo naukowe podejście z ich strony.” Smieją się przede wszystkim ci zaprogramowani na porządek rzeczy stanowiący ich naturalne środowisko. Wszystko to brzmi jak niegodna prowokacja.    

     Pytania powyższe i wiele innych powinny właściwie zawsze towarzyszyć twierdzeniom pretendującym do objawiania praw Natury. Dobrze jest pytać, nawet jeśli z góry wiadomo, że na odpowiedź być może czekać trzeba będzie wiele lat, albo też odpowiedź na danym etapie rozwoju nauki nie w pełni zadawala, nawet jeśli samo pytanie prowokuje swą retorycznością. Mimo wszystko pozostańmy wierni poglądowi zaakcentowanemu tłustą czcionką powyżej, co do którego panuje cosensus omnium. Jeśli znów zdecydujemy się na pytania, jeśli w dalszym ciągu rozważań znów popuścimy wodze fantazji, uczynimy to gwoli zadośćuczynienia potrzebie zrozumienia, acz w pełni szacunku i poważania dla dorobku nauki.

   Boć największy problem przed nami.

Do wątków tych jeszcze powrócę, zaopatrzony lepiej w nowe ustalenia.

*) W rozpadzie beta rejestrowane są elektrony (nie neutrina). Oczywiście prędkość elektronów, a więc także ich energia kinetyczna, ma charakter względny. W przypadku omówionego doświadczenia mamy jednak do czynienia np. z kryształem kobaltu, będącym w spoczynku względem laboratorium. Prędkość emitowanych cząstek można więc określić jednoznacznie.

**)  W książce tej inwariant c definiuje się jako wielkość określającą tempo ekspansji Wszechświata.

2. Neutrino contra pozostałe cząstki. Prędkość i masa

  Oczywiście nie jest celem tej pracy przedstawienie systematycznego opisu cząstek elementarnych. Ograniczymy się więc do skrótowego przeglądu rodziny cząstek, do której neutrino przydzielono, leptonów. Należą do nich: elektron, mion (m), taon (t), neutrina tych trzech cząstek – trzy i tylko trzy rodzaje neutrin, co w sposób przekonywujący potwierdziło doświadczenie, a także obserwacje astronomiczne; oraz ich antycząstki. Wszystkie są fermionami posiadającymi spin połówkowy.

Oddziaływania. Cząstki te nie uczestniczą w oddziaływaniach silnych, wszystkie jednak uczestniczą w oddziaływaniach słabych jako cząstki rozpadające się lub jako produkty rozpadu. Połowa z nich, ta obdarzona ładunkiem, oczywiście oddziaływuje elektromagnetycznie; neutrina, jak już wiadomo, nie. Ta właśnie cecha wyróżnia neutrina spośród wszystkich innych cząstek.

Spin (ogólnie). Inną ich wyjątkową cechą jest kierunek spinowego momentu pędu, istnienie tak zwanej skrętności. Tutaj trzymać się będziemy wyobrażeniowej interpretacji spinu jako wielkości związanej z samoistnym ruchem obrotowym cząstki, którego istnienie w istocie swej nie podlega żadnym uwarunkowaniom zewnętrznym*

   Nie wnikamy przy tym w to, że na ogół cząstki traktuje się jako pozbawione wymiarów zewnętrznych (punktowe) – w każdym razie wszystkie leptony, oraz, że spin jest wielkością o charakterze kwantowym. Mimo wszystko, dla upoglądowienia sprawy i bez uszczerbku dla istoty naszych przemyśleń, przyjmijmy dla rozważań jakościowych, uproszczony model, w którym cząstka rotuje. Już to upraszczające założenie pomoże nam dojść do konkluzji interesujących i wcale nie sprzecznych z faktami empirycznymi. Nie wnikamy przy tym w wartość spinowego momentu pędu, który w gruncie rzeczy nie jest wielkością opisującą specyficzne cechy określonej cząstki, a swe źródło ma w cechach samego plankonu (z tego powodu różne cząstki mają ten sam spin, np. 1/2) – opisałem to w poprzedniej serii i jeszcze do tego wątku powrócę. Przyjmujemy tylko, że kierunek osi obrotu odpowiada kierunkowi spinowego momentu pędu. To wystarczy.    

     Nietrudno zauważyć, że istnieją dwie skrajne opcje rotacji cząstek względem kierunku ruchu postępowego (nie koniecznie mowa o cząstkach subatomowych): prostopadła i równoległa. Oś obrotu cząstki może być bowiem prostopadła do kierunku jej ruchu lub współliniowa z kierunkiem ruchu postępowego (w kierunku zgodnym lub przeciwnym). W drugim przypadku mamy do czynienia z tak zwaną skrętnością (helicity).

     Wróćmy do naszych cząstek. Zwróćmy uwagę na to, że podstawowa definicja momentu pędu, przedstawiona w artykule poprzednim (serii postów), nie w pełni pasuje do cząstek elementarnych. Z jednej strony bowiem traktujemy je jako punkty materialne, z drugiej zaś jako kulki (ciało sztywne), gdyż tylko przy niezerowych rozmiarach obiektu mówić można o niezerowym, własnym, „osobistym”, właściwym tylko tej cząstce, momencie pędu.     

     „Nie ma tu sprzeczności, gdyż światem cząstek elementarnych rządzą prawa mechaniki kwantowej, określające probablistyczny charakter, prametrów przestrzennych i dynamicznych cząstki” – można  stwierdzić. Czy to już rzecz wyjaśnia? Oczywiście, że nie. Wyraża tylko niezmąconą wiarę w nieomylność aktualnego modelowania rzeczywistości. W kontekście tym warto zauważyć, że w świetle dokonanych już ustaleń, cząstki (elsymony) nie są obiektami punktowymi. Własny moment pędu cząstki jest więc rzeczą jak najbardziej realną, nawet bez uciekania się do dogmatycznych stwierdzeń w stylu: „to przecież wynika z mechaniki kwantowej” (z całym dla niej szacunkiem). Sam spin, jak wiemy, jest wielkością o charakterze relatywistycznym, co wcale nie musi być sprzeczne z tym „mechanistycznym” traktowaniem cząstek. Dla przypomnienia, w artykule poprzednim uznałem, że spin cząstki ma swoje źródło w spinie plankonowym. Chodzi więc o inne podejście (metodologiczne) do tego samego zagadnienia (dające zresztą ten sam wynik). Inna sprawa, że, jak wiadomo, teoria aktualnie odnosi się do cząstki jak do punktu materialnego, niezależnie od tego (a może właśnie dlatego), że opis jej uwzględnia dualizm korpuskularno-falowy, a interpretacja jej parametrów fizycznych ma charakter probablistyczny. To jednak w gruncie rzeczy uniemożliwia zasadniczo wgląd poznawczy w jej ewentualną strukturę, jeśli nie można jej zbadać poprzez bombardowanie innymi cząstkami (tutaj chodzi przede wszystkim o nukleony). Dla przykładu, struktura elektronu nie jest znana pomimo ogromnych sukcesów „teorii standardowej”, a w wersji wcześniejszej, elektrodynamiki kwantowej. Nie dziw. Przecież zgodnie z naszymi ustaleniami, o strukturze cząstek decyduje grawitacja, nie uwzględniana przez mechanikę kwantową. Zagadnieniu struktury cząstek poświęcone są przede wszystkim artykuły traktujące o plankonach i elsymonach. Na ogół więc, w publikacjach o charakterze popularnym, podkreśla się, że określenie spinu jako obrotu wokół osi, nie jest w pełni adekwatne, choć ukierunkowuje stosownie wyobraźnię czytelnika. Jednak, w kontekście naszych rozważań, traktowanie cząstek jako punktów materialnych mija się z celem.

Skrętność neutrin. Jaki jest więc kierunek spinu neutrin? Okazuje się, że neutrina (wszystkie) różnią się w sposób zasadniczy od pozostałych cząstek, tym mianowicie, że kierunek ich spinu, wszystkich trzech znanych neutrin oraz ich anty-, jest równoległy (lub antyrównoległy) do kierunku ich ruchu postępowego, co oznacza istnienie tzw. skrętności (helicity), właśnie w odniesieniu do neutrin. Skrętność jest rzutem spinu na kierunek ruchu. Jest to cecha wyjątkowa, swoista dla neutrina. W odróżnieniu od pozostałych cząstek (odddziaływujących elektromagnetycznie), oś jego obrotu jest, jak już wspomniałem, równoległa (lub antyrównoległa) do kierunku ruchu. Te dwie możliwości stanowią o rozróżnieniu pomiędzy neutrinem i antyneutrinem. Tak nawiasem mówiąc, to bardzo interesujące, gdyż spin pozostałych cząstek (dla przypomnienia, oddziaływujących elektromagnetycznie) zasadniczo, choć nie koniecznie, jest prostopadły do kierunku ich ruchu postępowego, co oznacza ich (w tym przypadku) zerową skrętność. Dla przykładu, elektron obracać się może w dwóch kierunkach i co najważniejsze, jego spin nie decyduje o tym, czy jest cząstką, czy też antycząstką. Prostopadłość kierunku jego spinu do kierunku ruchu postępowego, wiąże się z tym bezpośrednio. Elektrony są identyczne, nierozróżnialne, a zwrot rotacji w prawo (lub lewo) wokół osi prostopadłej do kierunku ruchu postępowego, nie różnicuje ich, gdyż zależy od tego, jak patrzymy (od strony którego bieguna). Tak to sobie można wyobrazić. Zauważmy, że przy tym fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną. Czy to przypadek? Z całą pewnością nie. Nawet nie trzeba odwoływać się do uczonych teorii niedostępnych laikowi, by dojść do takiego wniosku.

     Wracając do porównania neutrina z pozostałymi cząstkami, zauważmy, że przedstawione zostało ono w sposób jakby mechanistyczny. Czy słusznie? Wszak w tej skali  rządzą prawa mechaniki kwantowej. Wyrazem tego jest nieoznaczoność. Dla przykładu, pęd elektronu (w tym tego z rozpadu beta) nie może być, wraz z jego położeniem (równocześnie), wyznaczony w sposób jednoznaczny. Nieoznaczoność ogranicza wgląd w dynamiczne cechy układów. Najbardziej klasycznym przykładem tego jest powłoka elektronowa atomów – „chmura” zamiast klasycznie planetarnych orbit. W tym kontekście rozważanie konkretnych cech dynamicznych elektronu uznać można za nieporozumienie. Także problem rzutu jego spinu na kierunek ruchu traci swe ostrze. Czy rzeczywiście? Czy nieoznaczoność jest cechą obiektywną Przyrody, czy też cechą Jej obserwowalności? To już odwieczne pytanie. Choć coraz rzadziej się je słyszy, gdyż kwantowe myślenie zdominowało naszą wyobraźnię, warto przywołać je w kontekście naszych rozważań. 

Masa neutrin. Czy poruszają się z prędkością c? Do niedawna przyjmowano, że masa spoczynkowa neutrin równa jest zeru (niekiedy z dodaniem uwagi: „w granicach błędu pomiarowego”). Uzasadnienie tej tezy wbrew pozorom jest dość proste i logiczne. Gdyby bowiem masa spoczynkowa neutrina nie była równa zeru, to poruszałoby się ono wolniej niż światło. Jeśli tak, to obserwator poruszający się szybciej od neutrina, choćby minimalnie i oczywiście wolniej niż światło, po wyprzedzeniu go, patrząc tym razem do tyłu, stwierdziłby, że pozostawia za sobą antyneutrino. W samej rzeczy. Cząstka, którą wyprzedził, z jego punktu widzenia, teraz oddala się, przy czym kierunek skrętności jest zachowany, co sprawia, że staje się antycząstką. Dodajmy do tego, że neutrino wkręca się w kierunek ruchu w lewą stronę (jak śruba lewoskrętna), a antyneutrino w prawą stronę. Okazuje się jednak, że są to dwie różne cząstki, których właściwości nie mogą przecież zależeć od położenia obserwatora, to znaczy wyboru układu odniesienia. Wykazano to doświadczalnie. Przedstawione powyżej rozumowanie służy za „dowód” tego, że masa neutrina równa jest zeru, a ono porusza się z prędkością światła.

     Czy jest to jednak dowód niezbity? Co na to eksperyment? Już w roku 1995 w Los Alamos oszacowano eksperymentalnie masę neutrin na 0,5 eV – 5 eV. W 1998 r. podczas eksperymentu w urządzeniu Super-Kamiokande (Japonia) wykazano istnienie oscylacji neutrin atmosferycznych. Oscylacje neutrin są właściwie bezpośrednim dowodem na to, że neutrina posiadają masę. A co na to teoria? Otóż Model Standardowy nie przewiduje niezerowej masy neutrin. Do niedawna wprost dominowało przekonanie, że neutrina nie posiadają masy spoczynkowej, jak fotony. Nic dziwnego, że wprowadzenie ich do teorii wprost pociągnęło za sobą konieczność dokonania zmian, powiedziałbym: nieestetycznych już w samym formaliźmie teorii. Wygląda to jednak, jak sztuczne łatanie dziur i sprawia wrażenie niespójności z modelem ogólnym. Masa neutrin jest więc do dziś zagadką pomimo zgodności tego (pełzającego) opisu z eksperymentem. W ogóle, dla obowiązującej dziś teorii standardowej wyjaśnienie wielkości mas także pozostałych cząstek (dlaczego taka, a nie inna?) jest także poważnym problemem, właściwie wyzwaniem na przyszłość. Model Higgsa mimo wszystko nie odpowiada na zasadnicze pytanie: Dlaczego? Droga do zrozumienia wiedzie poprzez strukturalizację cząstek, co możliwe stało się dopiero po wprowadzeniu bytu absolutnie elementarnego (plankonu) i odkryciu dualności grawitacji. Jaka jest więc prędkość neutrin?   

Prędkość neutrin. Niezerowość masy neutrin oznaczać by miała, że ich prędkość mniejsza jest od prędkości światła. Konkluzja ta nie bardzo pasuje jednak, przynajmniej intuicyjnie, do ustalenia, że neutrino i antyneutrino, to dwie różne cząstki (w związku z przytoczonym powyżej „dowodem” na to, że neutrino porusza się z prędkością c). Czy zatem coś tu pachnie niekonsekwencją? Widocznie to, co „z braku laku” dziś uznane jest za „stan wiedzy”, stanowi właściwie tylko „modus vivendi”. Stwierdziłem to nie po raz pierwszy. Dalej podejmiemy próbę zmierzenia się z tematem. Co otrzymamy przyjmując, że neutrino porusza się szybciej niż światło? Zanim odpowiemy, zauważmy, że przytoczony powyżej „dowód” słuszny jest także dla tej sytuacji.

     Sądząc po wyniku wspomnianego wyżej doświadczalnego pomiaru masy neutrina, raczej powinniśmy zaakceptować tezę, że masa tych cząstek nie jest równa zeru. Wraz z tym jednak, obstawanie przy twierdzeniu, że ich prędkość jest mniejsza od c, prowadzi do sprzeczności z twierdzeniem, że nie może taką być. Podałem przecież „dowód” logiczny tego twierdzenia. Nie należy go lekceważyć. Jedynym wyjściem dającym szansę na rozwiązanie kwestii jest przyjęcie za dopuszczalną możliwość, że cząstki te poruszają się szybciej, niż światło. Konsekwencje tego są bardzo interesujące. To także przywróci wiarę w możliwość koherentnego opisu sprawy. 

     Wyjdźmy więc z tego założenia. Od razu zauważamy, że tylko w tym przypadku prędkość neutrina zasadniczo nie może być równa zeru względem ciał należących do naszego podświetlnego świata, nie można traktować tej prędkości jako względną. O względności ruchu można bowiem mówić wyłącznie w odniesieniu do ciał (masywnych), podświetlnych. Z tego powodu energia kinetyczna neutrin też nie może być zerowa, bo nie może być względna. Właśnie przez to, jako niezmiennicza (?), może być energią własną (i jednoznaczną) określonych neutrin, których działanie powoduje rozpady określonych cząstek – właśnie dzięki temu można neutrina wykryć. Neutrina nie posiadają cech lokalności.  

     Zatem, względność ruchu istniejąca w naszym świecie nie może dotyczyć (w naszych oczach) obiektów znajdujących się po drugiej stronie osi wyznaczonej przez niezmienniczą (i nieosiągalną... z obydwu stron?) prędkość c. Nasza względność ruchu nie dotyczy więc neutrin. W samej rzeczy. Gdyby neutrino poruszało się z prędkościami mniejszymi, niż c, możliwa byłaby sytuacja, w której względem jakiegoś obserwatora, jego prędkość byłaby zerowa. Jednak, gdyby możliwa była taka sytuacja, neutrino faktycznie nie istniałoby. Musiałoby się bowiem zdecydować, czy jest neutrinem, czy antyneutrinem. A przecież tożsamość cząstki nie może zależeć od układu odniesienia. W związku z tym zresztą cała materia w oczach nieszczęsnego obserwatora musiałaby się zdecydować na to, czy jest materią, czy też antymaterią. Czym my jesteśmy, nie mamy wątpliwości. My antymaterią staniemy się dopiero w chwili inwersji Wszechświata, za jakieś 10²⁰ lat. Oto jeszcze jedna przesłanka za tym, że neutrino porusza się szybciej, niż światło.