Спростування засад або помилка в третьому знаку?

У фізиці — і це ми знаємо ще з середньої школи — є так звані світові константи. Найвідоміша серед них — швидкість світла. І спеціальна теорія відносності (СТВ), і загальна теорія стверджують, що швидше за світло нічого в нашому матеріальному світі рухатися не може. І це підтверджує досить просту на вигляд формулу, згідно з якою, сягнувши швидкості світла, маса тіла стає нескінченно великою. А оскільки маса і енергія зв’язані також вельми відомою формулою Ейнштейна

E = mc2 , то для такої маси була б потрібна нескінченно велика енергія. Що своєю чергою суперечить іншому фундаментальному законові збереження енергії. І хоча серця багатьох фантастів, режисерів різних бойовиків на наукові теми гріла ідея подолати це обмеження, та вона не виходила за межі книг, кінофільмів та іншої подібної продукції. Тим паче, що подолання обмеження швидкості світла робило принципово можливою подорож у часі (такий улюблений сюжет згаданих фантастів). Якщо це так, то можна було б відправити у минуле термінатора, убити бабусю або дідуся жителя Землі, — і тоді поява на світ його нащадків була би під питанням. З іншого боку, мріяти і фантазувати не заборониш, просто цікаво.

Скільки існує СТВ, а саме в ній — постулат про постійність й обмеженість швидкості світла, стільки намагаються її спростувати. Передусім через начебто недостатню переконливість ранніх експериментів із пошуку «ефірного вітру», що традиційно розглядають як чи не єдиний дослідний доказ справедливості СТВ. Увесь цей потік сумнівів змусив знаменитого радянського фізика Сергія Вавилова 60 років тому доручити своєму співробітникові Олексію Бонч-Бруєвичу провести експеримент щодо прямої перевірки другого постулату СТВ. Проте техніка тих років не дозволила отримати достовірного результату. Такий дослід нещодавно здійснили в Курчатовському центрі синхротронного випромінювання. Він підтвердив непорушність другого постулату СТВ, тобто, що швидкість світла гранична у нашому світі.

І ось науковий світ, насамперед фізиків, схвилювало повідомлення групи вчених з Європейського центру ядерних досліджень в Женеві (ЦЕРН) про існування надсвітових нейтрино. Під час експериментів проекту OPERA (Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus), в якому беруть участь приблизно 200 фізиків із 36 інститутів і 13 країн, вивчали осциляції мюонних нейтрино, посилаючи їх пучки через 730 км із ЦЕРН до Італії, у підземну нейтринну пастку Національної лабораторії Гран Сассо. З їхньої статті випливає, що вже протягом трьох років ці унікальні і важко вловимі частки — нейтрино — прилітають до мети на 60 наносекунд раніше, ніж якби вони прилетіли туди, рухаючись зі швидкістю світла. Нейтрино — це частки, відкриті італійським фізиком і Нобелівським лауреатом Енріко Фермі 1933—1934 рр. Він дав новій частинці назву на італійський манір — нейтрончик.

Цілком зрозуміло, що таке потрясіння основ викликало у дослідників першу реакцію, ніби припустилися помилки. Упродовж трьох років дослідники в Гран Сассо встигли впіймати своїм детектором близько 16 тисяч із посланих до них нейтрино, і кожне з них прибувало до детектора раніше, ніж виходить з розрахунків на підставі СТВ. Перевищення швидкості світла було мізерним, усього 24 частини на мільйон: відстань, для якої світлу потрібно 2,43 мілісекунди, нейтрино пробігали в середньому на 60 наносекунд швидше, причому точність виміру, як стверджують учені Гран Сассо, не перевищувала 10 наносекунд, тобто результат був статистично значущим. Коли учені виявили цю невідповідність, вони, звичайно, стали шукати помилку. Проте, як тільки вони не старалися, виявити її так і не вдалося.

Треба зазначити, що спростування основ вимагає від учених великої громадянської мужності. Свого часу король математиків Карл Гаусс не виявив її достатньою мірою і не опублікував свої результати з неевклідової геометрії. Що більше, він публічно не підтримав російського математика Миколу Лобачевського і угорського вченого Яноша Больяї, чим прирік їх на неабиякі етичні страждання, хоча в приватних листах вельми цікавився їхніми роботами і позитивно про них висловлювався. Інший приклад, уже з галузі фізики. 1929 року радянський фізик Дмитро Скобельцин виявив у складі космічного випромінювання електрони. Пропускаючи їх через камеру Вільсона та закручуючи траєкторію магнітним полем, він виявив, що деякі з них закручуються не в той бік, в який мають закручуватися частки з негативним електричним зарядом. Він був упевнений, що працює з електронами, і тому не повірив власному приладу. Він відкрив позитрон, але не став повідомляти про своє відкриття, що суперечить, як йому здавалося, непорушним основам. А 1932-го американський фізик Карл Андерсон зробив те ж саме, повірив своїм очам і приладам, пішов на рішучий крок: назвав позитрон позитроном, опублікував результати і згодом отримав за своє відкриття Нобелівську премію. Академік Борис Іоффе з Інституту теоретичної і експериментальної фізики в Москві вважає, що якщо вчені справді впевнені в отриманому результаті, вони були просто зобов’язані про нього повідомити і таким чином долучити до наукового обігу, навіть підставивши себе під потік звинувачень і атак. «Учений інколи має виявити мужність. Тут працює «людський чинник». Навіть якщо ви не маєте рації, але впевнені в своїй правоті, у вас буде стимул-реакція заявити про своє відкриття, поки про нього не заявили інші», — підкреслює Іоффе.

Цікаво, що фізики зовсім не в захваті від свого відкриття. Глава проекту OPERA Антоніо Ередітато з університету Берна заявив на семінарі в ЦЕРН: «Ми далекі від того, щоб заявляти, що Ейнштейн не мав рації. Я ніколи такого не говорив. Але ми були вимушені повідомити про отримані результати, ми не можемо ховати їх під килим». За його словами, стаття в популярному інтернет-виданні Arxiv.org — це не стільки заява про факт, скільки звернення до наукового співтовариства з проханням або підтвердити дослідження його команди, або спростувати їх, показавши, де вони помилилися. Проте ця дещо завуальована спроба утамувати пристрасті температури загального обурення не знизила. Світ фізиків сприйняв повідомлення про порушення другого постулату СТВ схвильовано і з недовір’ям.

Одні говорили: неправильно розраховують статистику. Інші дивувалися, звідки взялася невизначеність в десять наносекунд, якщо відстань між точкою старту і точкою фінішу визначають за допомогою GPS, системи, що працює з точністю в декілька десятків наносекунд. А головне — і це підкреслюють самі дослідники з Гран Сассо, — не можна стверджувати щось упевнено лише за одним експериментом, потрібні незалежні підтвердження з інших джерел.

Леонід Безруков, заступник директора Інституту ядерних досліджень Російської академії наук, повідомив, що в його інституті до цього повідомлення ставляться вельми скептично. І для цього є підстави. Одна ластівка — то ще не весна. Так і у фізиці. Один експеримент, навіть повторений багато разів, не гарантує, що помилок не було. До того ж у статті немає детального опису характеру розрахунків. Завдання начебто для молодшого класу. Дано: дорога і час. Визначити швидкість. Дорогу ділять на якийсь час — і це арифметика з фізикою. Але це простота уявна. Потрібно точно визначити час старту, тобто народження нейтрино, зрозуміти, яким чином ця інформація передається через супутник до детектора, а на цьому шляху цілком можливі спотворення, а отже, помилки. Далі потрібно визначити момент фінішу, коли частку реєструє детектор, урахувати час запізнення, що вносить електроніка, шуми електронних приладів і багато чого іншого. Брак достатніх математичних обчислень і детального опису приладової бази робить усю цю історію дещо дивною. У науці так не заведено. Адже приховувати нема чого. Або зроблено відкриття і потрібно поділитися усіма даними для того, щоб повторити експеримент в інших лабораторіях і за інших умов, або є щось таке, що знаходиться вже за межами науки. У будь-якому разі потрібно чекати незалежного підтвердження з інших лабораторій.

Маємо, на перший погляд, складно розв’язувану суперечність. Доводиться вибирати з двох варіантів — або доведено те, що суперечить основам, або велика команда фізиків помилилася, не впоравшись з елементарною — на перший погляд — задачкою з арифметики і заявивши світу про отриману невірну відповідь. До речі, друге трапляється досить часто, і нічого в цьому особливого немає. Ба більше, помилки в науці бувають вельми корисними й плідними. Аналіз їх приводив до знаменних відкриттів.

Що ж до варіанта помилки, то Безрукову він не здається таким уже неймовірним. «Зараз у світі багато фізиків, але мало фахівців, — говорить він. — Люди вміють натискати на клавіатуру комп’ютера, та серед них дуже мало фахівців, які знаються на електроніці. Сповна могли помилитися. І поставити свій підпис під статтею, не розібравшись в ній, а просто довірившись думці колег».

Якщо так, то це не крах сталої фізичної догми, а крах довіри до всієї сучасної фізики. А якщо раптом виявиться, що все правильно і нейтрино справді вміють рухатися швидше за фотони (частки, з яких складається світло. — Авт.), то це означає революцію у фізиці, рівнозначну тій, яку зробив Ейнштейн на початку минулого століття. На користь цієї версії мало що говорить. Цілком можливо, що помилка все-таки є. Але її вкрай важко віднайти, а виявлення її само по собі може стати відкриттям. Адже СТВ підтверджено в сотнях, якщо не в тисячах бездоганних експериментів. Про один із них ми розповіли вище. Справа не в тому, що фізики інертні і тримаються за сталу теорію. Проблема набагато важливіша. Вона полягає в чистоті експерименту і науки загалом. Надто багато знаходиться тих, хто в гонитві за сенсацією жертвує вільно або мимоволі науковою достовірністю і строгістю. А це підриває довіру і до науки, і до вчених, породжує силу-силенну пройдисвітів, які під камуфляжем науковості намагаються досягти цілей, з наукою несумісних.

Повідомлення про тахіони, тобто частинки, що рухаються з надсвітовою швидкістю, з’являються у фізиці із завидною регулярністю і з такою ж регулярністю спростовуються, а потім про них ніхто не згадує. У цьому разі йдеться про конкретні частинки під назвою нейтрино. Воно володіє вельми незвичайними властивостями, якщо взагалі таке можна говорити про складові мікросвіту. Досить сказати, що кожну секунду нас пронизує гігантська кількість цих частинок, про це ми в повсякденному житті навіть не підозрюємо. Утім нейтрино не вперше стає об’єктом пильної уваги фізиків, які експериментують зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Повідомляли про результати, отримані командою з Чикаго: учені, досліджуючи осциляції нейтрино, 2007 року виявили, що ті літають зі швидкістю, що перевищує світлову, проте їхні дані жодного наукового значення не мали, оскільки в тому експерименті погрішність була набагато вищою за набуті значення перевищення швидкості світла.

Передбачимо поки неймовірне, що нейтрино розганялося до швидкості, більшу за швидкість світла. Це буде прорив у фізиці, але нічого катастрофічного не станеться. Кризи в науці, на відміну від економіки і фінансів, урешті-решт, мають користь. Вони дають людству нові знання. Заради цього і працюють учені. А потім нові технології приходять у наш дім і в наше життя.