Brutt lyshastigheten. Hva så?

En gjeng nøytrino-partikler kom kanskje fram litt for fort. Hvorfor er den lille overskridelsen av lyshastighetsgrensa så viktig?

Denne artikkelen er over ti år gammel og kan inneholde utdatert informasjon.

Bare for å summere opp:

Partikkelakseleratoren i CERN fyrer av sted pulser med ørsmå nøytrinopartikler, som suser igjennom Alpene og fanges opp 730 kilometer borte, ved INFN Gran Sasso Laboratory i Italia.

Men det er noe som ikke stemmer. Etter tre år med intens måling og feilsøking går forskerne ut med det utrolige funnet: Det ser ut til at nøytrinoene raser fra A til B i litt mer enn lyshastigheten.

Det er som å slippe en stein i ei maurtue.

I de neste ukene og månedene kommer fysikerne til å myldre rundt i opphisselse, og angripe de nye resultatene med alt de har av faglige tenner (og kanskje noen av de ordentlige også).

De vil prøve ut alle muligheter for å rive resultatet i stykker, men også for å finne en forklaring på det – hvis det skulle vise seg at målingene faktisk stemmer.

Men hva er det som er så farlig med denne fartsovertredelsen? Bør Einstein virkelig grøsse i grava og relativitetsteorien beve i bokhylla?

Regnestykker som beskriver verden

Relativitetsteorien – som andre teorier i fysikken – handler om å finne en måte å forstå hvordan verden virker.

Enkelt forklart finner man fram til et regnestykke som beskriver hvordan alt oppfører seg.

Når man bruker dette regnestykket til å beregne hvordan et fenomen arter seg, vil svaret stemme overens med observasjonene man gjør i den virkelige verden.

Dermed kan man også bruke regnestykket til å forutsi og forstå oppførselen til ting og fenomener som man ennå ikke har målt.

Newtonsk enkelt og greit

Før relativitetsteorien kom på bana, brukte forskerne Newtons lover til å beskrive hvordan alt fra tog til planeter beveger seg.

- På den tida gikk man ut fra at alt oppførte seg ganske rett fram, forklarer Bjørn Samset, forsker ved CICERO og tidligere fysiker ved CERN.

- Hvis du satt i en bil som kjørte 100 kilometer i timen, og du ble forbikjørt av en annen bil som gikk i 100 kilometer i timen i forhold til deg, så kjørte den andre bilen i 200 kilometer i timen.

Og hvis din bil gikk i 200 000 kilometer i sekundet gikk den andre i 400 000 kilometer i sekundet. Enkelt og greit.

Men så begynte det å dukke opp målinger som tydet på at dette ikke stemte i store hastigheter, sier Samset.

 (Foto: Espen Eggen)
(Foto: Espen Eggen)

Det var i forbindelse med dette at Albert Einstein lagde en helt ny teori.

Relativitetsteorien

Einstein tenkte som følger:

Hva om vi kutter ut alle de andre forutsetningene, og sier at det bare ligger én forutsetning i bunnen: Lyshastigheten i vakuum er alltid den samme. Og så regner vi ut alle de andre faktorene ut ifra dette.

Det er dette som danner grunnlaget for den spesielle relativitetsteorien, og den berømte likningen E­MC2, altså: energien = massen x lyshastigheten x lyshastigheten.

Utregningene viste at når ting gikk sakte – som biler og tog – gav Einsteins regnestykker samme resultat som de gamle måtene å beregne avstand, tid og hastighet. Men når hastigheten var enorm gav den nye regnemåten en liten forskjell fra den gamle.

Bjørn H. Samset (Foto: Bjørn H. Samset)
Bjørn H. Samset (Foto: Bjørn H. Samset)

Og Einsteins måte å betrakte verden så ut til å stemme bedre overens med de virkelige observasjonene.

- I ettertid har utallige eksperimenter vist at Einsteins relativitetsteori beskriver virkeligheten svært nøyaktig, sier Samset.

Begrenset hastighet

Dermed har vi altså gått ut fra at relativitetsteorien er riktig. Det får en hel masse konsekvenser.

En av dem er at biler, stjerner, lyspartikler, og alt annet som har masse, ikke kan ikke gå fortere enn lyshastigheten hvis de reiser i vakuum. Gjør de det, sier regnestykkene nemlig at energien blir større enn uendelig stor, og det går ikke an.

Dette innebærer for eksempel følgende:

Heidi Sandaker er forsker ved CERN og ved Universitetet i Bergen. (Foto: Marianne Nordahl)
Heidi Sandaker er forsker ved CERN og ved Universitetet i Bergen. (Foto: Marianne Nordahl)

Dersom du kjører i lyshastigheten i ditt nye Turbo GT SuperDuper Romskip, og skrur på frontlyktene, så skulle du tro at lyset ville suse forover – vekk fra romskipet – i den vanlige lyshastigheten, slik at den reelle hastigheten til lyset fra lyktene ville være to ganger lyshastigheten i forhold til omgivelsene.

Men siden ingenting kan gå fortere enn lyshastigheten vil ikke lyset engang kunne unnslippe lyktene.

- Hundre år med god testing viser også at dette ser ut til å stemme, sier Samset.

- CERN er jo på mange måter en megamaskin for å teste hvor stor hastighet ting kan få. Den klarer å skyte partiklene av sted i oppi noe sånt som 99,9991 prosent av lyshastigheten. Men ikke over.

- Men så kommer disse nøytrinoene og lager bøll. Hvis de nye resultatene fra CERN stemmer, faller altså Einsteins antagelse om at ingenting kan gå fortere enn lyshastigheten og at lyshastigheten er konstant.

Men faller relativitetsteorien i samme slengen?

Ingen grunn til panikk

Alle som nå er i ferd med å sette fyr på 3FY-bøkene sine, får holde an fyrstikkene. Selv om det skulle vise seg at lyshastigheten faktisk er brutt, betyr det nemlig ikke at Einsteins teori er gal. Det betyr bare at den ikke stemmer for alt.

- Vi vet at E­MC2 er gyldig for de områdene vi har sjekket tidligere, sier Heidi Sandaker, fysiker ved Universitetet i Bergen og forsker ved CERN.

- Det nye betyr ikke at det gamle blir feil, bare at dette er et nytt område som vi må forstå.

Sandaker mener denne situasjonen – hvis resultatene stemmer – kan sammenlignes med hva som skjedde da relativitetsteorien først kom.

Den gangen oppdaget man at Newtons lover ikke stemte helt i store hastigheter. Men de gjaldt fortsatt for baller og biler og andre ting som beveget seg med lavere fart.

Newtons lover er fremdeles pensum i grunnleggende fysikk den dag i dag.

Samset stemmer i:

- Vi kaster ikke det vi har fra før, men bygger et nytt skall utenpå. Det kan være snakk om en utvidelse av relativitetsteorien eller noe helt nytt, sier han.

En slik ny fysikk vil omfatte både Newton og Einstein, men i tillegg forklare den merkelige oppførselen til nøytrinoene.

For den er utvilsomt merkelig.

Det er slett ikke tilfeldig at det er akkurat disse mystiske fnuggene som truer med å velte om på fysikken, mener Samset.

Underlige nøytrinoer

Forskningen på de ørsmå partiklene som kalles nøytrinoer er et helt nytt felt innen fysikken. Og her kan det ligge mange overraskelser på lur.

Forskerne har bare helt nylig slått fast at disse partiklene i det hele tatt har masse, og man lurer fortsatt på hvorfor de er så utrolig vanskelige å oppdage.

- Nøytrinoer er utrolig sære. Det er godt mulig at et eventuelt brudd på lyshastigheten bare gjelder disse partiklene. Men vi vil jo likevel trenge en forklaring på hvorfor det er slik, sier Samset.

Verken Samset eller Sandaker tror det vil mangle på gode forslag.

- Det er nok en av grunnene til at CERN-forskerne har gått ut med resultatene nå, sier Sandaker.

- Det viktigste er å få dem bekreftet ved andre eksperimenter, men i tillegg trengs det også hjelp til å finne mulige feilkilder og eventuelt nye hypoteser om hvordan dette kan henge sammen.

Det mannsterke teamet bak oppdagelsen er helt åpent på at resultatene kan skyldes feil, og ber om diskusjon blant andre fagfolk.

- Jeg synes de er modige, sier Samset.

- Det kommer til å storme voldsomt rundt dem, og de fleste slike fantastiske resultater viser seg å ikke holde vann. Men av og til gjør de det.

- Akkurat nå er jeg kanskje mest skeptisk, men dette kan også være gjennombruddet vi har ventet på i fysikken. Vi vet jo at det må være mer der ute.

Referanse:

T. Adam et. al, Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam.
 

Powered by Labrador CMS