“Işıktan Hızlı Nötrinolar” tartışması sürüyor. Konuyla ilgili yayınlanan bir çalışmada OPERA deneyinde hata yapılmış olabileceği ortaya kondu.
“Işıktan daha hızlı hareket eden nötrinolar” ile ilgili ilk haberin üzerinden üç hafta geçti. Hatırlanacağı üzere, Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN)’den İtalya’da bulunan Gran Sasso Laboratuarı’na gönderilen nötrinoların, yaklaşık 730 km’lik mesafeyi beklenenden 60 nanosaniye kadar erken kat ettikleri duyurulmuştu. İki yıl kadar süreyle elde edilen verilerin, tespit edilebilen tüm hata kaynakları göz önüne alınarak yapılan analizinden çıkan bu ilginç sonuç bilim camiası ve kamuoyuyla da paylaşıldı. Daha ilginç olan bir nokta ise, şu ana kadar konuyla ilgili olarak yazılan ön-yayın (preprint) makalelerin sayısının (ilk hafta içinde on dört olmak üzere) sekseni aşmış olması. Söz konusu ön-yayınlara yeni katılan bir çalışma ise, OPERA deneyinin sonucunun mevcut anlayışla basit bir şekilde açıklanabileceği iddiasını gündeme taşıdı.
Çalışmayı yapan kişi, Hollanda’nın Gröningen Üniversitesi’nden Ronald van Elburg (araştırmacının adresi, makalesinde, Matematik ve Doğa Bilimler Fakültesi, Yapay Zeka Bölümü olarak geçiyor). Van Elburg’un iddiası, mesafe ve zaman ölçümlerinde, referans sistemlerinin birbirine göre hareketinden kaynaklanan farkların yanlış şekilde hesaba katıldığı yönünde. Bu elbette ki, deneyde görev alan bilim insanlarının bir bilgi hatası yaptıkları yönünde bir iddia değil. Ancak nötrinoların 730 km’lik yolculuğunun başlama ve bitiş zamanları ile “730 km”nin ölçümü, Dünya yörüngesinde bulunan uyduların taşıdığı cihazlar sayesinde yapılıyor. Dolayısıyla van Elburg’un iddiası, OPERA grubunun eline geçen verilerde önceden yapılmış olması gereken bir düzeltmenin yapılmadığı anlamına geliyor. Esasen önemli olan konu ise, van Elburg’un hesapladığı düzeltmenin 64 nanosaniye olması. OPERA grubunun yayınladığı sonucun yaklaşık 14 nanosaniyelik bir hata içerdiği düşünüldüğünde, van Elburg’un haklı olabileceği düşüncesi ağırlık kazanıyor. Peki bu hata ne anlama geliyor?
Deneylerde yapılan ölçümler, hiçbir koşulda yüzde yüz kesinlikte sonuçlar veremez. En başta ölçüm cihazlarının da insanlarca yapılmış ve yapımında başka daha basit cihazlardan yararlanılmış nesneler olduğu göz önüne alınırsa, bu durum açıklık kazanır. Buradan hareketle, bilim insanları, ölçümlerinde en fazla ne kadar hata yapılmış olabileceğini hesaplarlar. Dolayısıyla her ölçüm, ölçülen niceliğin değerinden ziyade, içinde bulunduğu aralığı ifade eder. Yani 60±14 nanosaniye, ölçülen zaman aralığının 46 ila 74 nanosaniye arasında olduğunu ifade eder. Dolayısıyla 64 nanosaniyelik teorik sonuç, söz konusu ölçüm ile tutarlıdır. Tabi hesaplamaların tamamen doğru yapıldığından (kullanılan kuramsal çerçeve içinde) emin olmamız gerekir. Burada bir not olarak belirtelim: teorik hesaplamaların da, kullanılan teorik çerçeveye bağlı olarak, ne kadar hata içerebileceği hesaplanabilmektedir. Hesaplarda söz konusu olan nicelikler, son tahlilde deneylerde ölçülen niceliklerle ilişkileneceğinden, hesaplamaların da belirli bir hata toleransı vardır.
Peki, van Elburg’un çalışması, OPERA grubunun ilgi çeken bulgusunun altında yatan fiziksel nedeni açıklamış oluyor mu? Şu an için, hayır. OPERA grubunun söz konusu çalışma için iki yıl kadar süreyle veri topladığını düşünürsek, sonuçların birkaç hafta içinde tatmin edici bir şekilde açıklanmasının ne kadar zor olduğunu görürüz. Ancak önemli olan nokta şudur: deneyin sonucunu doğrulayan ya da yanlışlayan, ama bilim camiasının tatmin edici bulacağı herhangi bir açıklama, bize ölçülen 60±14 nanosaniyelik zaman aralığını vermek durumundadır; tıpkı van Elburg’un çalışması gibi. Öne sürülen açıklamaların hangisinin doğru olduğunu, hesaplar bağımsız araştırmacılar tarafından tekrar edildikten sonra anlayabileceğiz. Ancak her koşulda, 60±14 nanosaniyelik bir zaman aralığını hesaplamış olmak durumundayız.
Işık hızının aşılamaması ne anlama geliyor?
Einstein’ın ünlü “görelilik kuramı”na göre, birbirine göre hareket halindeki farklı gözlemciler ışığın boşluktaki hızını ölçmek istediklerinde aynı değeri bulurlar. Örneğin, yerde durup bir uçağın geçişini izleyen bir gözlemci, uçağın üzerinde yanıp sönen kaynaklardan yayılan ışığın hızını yaklaşık 300.000 km/saniye olarak ölçerken, uçağın içindeki başka bir gözlemci de aynı değeri ölçer. Söz konusu olan, örneğin 720 km/saat (yani 0.2 km/saniye) hızla hareket eden bir uçak olduğunda, bunun özel bir durum olmadığını, ışık ve uçağın hızları arasındaki büyük farkın buna neden olduğunu düşünebilirsiniz. Ancak, Einstein’a göre uçağın hızı, örneğin 150.000 km/saniye de olsa, durum değişmeyecektir. İki gözlemci de, aynı 300.000 km/saniye’yi ölçecektir.
Tabi bu, ünlü fizikçinin aklına elma ağacından düşmüş bir fikir değil. 19. yy sonlarında James Clerk Maxwell tarafından formülasyonu tamamlanan elektromanyetik teorinin (o zaman için epey ilginç) bir özelliği, elektromanyetik dalgaların (ışık, frekansı belirli bir aralıkta yer alan bir tür elektromanyetik dalgadır) boşluktaki hızının, tüm gözlemciler için aynı olması gerektiğini, aksi halde kuramın içeriğini oluşturan denklemlerin, farklı gözlemciler için faklı fiziksel durumlar tarif edeceğini ortaya çıkarmasıdır. Başka bir deyişle, eğer Maxwell’in son halini verdiği ve birbiriyle ilişkilendirdiği, elektrik ve manyetizma olgularını açıkayan (aynı zamanda birleştiren) denklemler doğruysa, elektromanyetik dalgaların hızı tüm gözlemciler için aynı olmalıdır. Bu durum, klasik fiziğin temelinde bulunan Newton’un hareket kanunları açısından geçerli değildir. Ancak söz konusu dönemde, özellikle gök cisimleri üzerindeki gözlemler ve önceki iki yüzyılda gelişmiş mühendislik bilgisi ile sınanmış Newton kanunları açısından sıkıntılı görünen bir durum, bilim camiası açısından bir sıkıntıyı ifade etmekteydi. Yine de Maxwell, son halini verdiği denklemlerin de ilgili oldukları olguları açıklayabildiğini (yani yapılan deneylerle tutarlı olduğunu) biliyordu. Tamamına erdirdiği kuramın anlaşılması ise, Einstein’ın ünlü 1905 makalelerinden “Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” ile mümkün oldu ( http://www.fourmilab.ch/etexts/einstein/specrel/www/ ).
Elektromanyetik dalgaların hızının tüm gözlemciler için aynı olması, bu hızın tüm cisimler için bir üst limit olmasını da beraberinde getiriyor. Dolayısıyla, hiçbir deneyde, hiçbir fiziksel nesnenin ışığın boşluktaki hızından daha yüksek bir hızla hareket etmesini beklemiyoruz. İşte bu nedenle, OPERA nötrinolarının ışıktan hızlı hareket etmiş olabileceği iddiası bu kadar büyük bir tartışmaya sebep olabiliyor.
(soL – Bilim)
Önümüzdeki aylarda başka labaratuvarlarda bu deneyler tekrarlanacakmış. Bakalım daha sağlıklı bilgiler belki yayınlanacaktır. En azından böyle bir şey varsa onaylanmış olacak. Ama er geç ölçüm hatasının ne olduğu bulunur ve bunun bir yanılgı olduğu anlaşılır gibime geliyor.
Özel görelilik kuramının nedenselliğe dair bir önkabulu yoktur ama nedensellik ilkesiyle çelişen bir fizik yasası da yoktur. Evren’in en temel en gerek ilkelerinden biri gibidir. Işık hızından hızlı giden parçacıkların varlığı, eğer özel göreliliğin geri kalan kısmını da doğru kabul edersek, nedensellik ilkesiyle ilgili büyük çelişkiler doğuracaktır. Yani tam anlatamadım ama çok çarpık durumlara yol açacak işte. Eşzamanlılığın göreliliğine göre belli iki olayın oluş sırası farklı gözlemcilere göre farklı sıralarla olabilmektedir. Bir gözlemci iki olayı eşzamanlı olmuş gibi gözlerken bir diğeri A olayı önce B olayı sonra ve başka bir gözlemci ise B olayını önce A olayını sonra olmuş gibi gözleyebilir. A olayınının B olayından önce olduğunu gözleyen gözlemci A olayının olduğunu öğrendiği anda ışıktan hızlı yola çıkıp aslında B olayını önce A olayını sonra olacağını gözleyecek gözlemcinin yanına gidip A olayının olduğunu söylerse bu gözlemci A olayı henüz olmadan bunu öğrenmiş olacak. Bir diğer anlamda ona A olayının haberini ulaştıran gözlemciyi, gelecekten gelmiş gibi algılayacak. Sonuç(olayın öğrenilmesi), sebepten(olayın olması) önce olacak. Şimdiye kadar bu türden bir ihlal gözlenmedi. Bununla ilgili başka düşünce deneyleri de var ama hepsi kafa karıştırıcı.
Yani demem o ki özel ve genel görelilik denklemlerinde o kadar temel noktalarda bulunmaktadır ki bu c sabiti. Bu hız limitinin ihlali çok büyük çelişkilere yol açmaktadır. Bir de aksini düşünelim. Gerçekten aslında böyle bir limit olmadığı anlaşılsın, o zaman modern fiziğin ilk teorilerinden olan özel görelilik teorisiyle ilgili çok büyük yanlışlar içinde olduğumuzu anlayacağız. Çelişkilerle dolu bir teorinin üzerine fizik inşaa edildiği sonucu çıkacak. Bitirme tezimizin sonlarına doğru ilk sayfalarda bir yerlerde tezimiz açısından çok hayati bir hata yaptığımızı farketmek gibi bir şey. Hayalkırıklığını hayal edemiyorum :).
Işık hızının bir üst limit olduğu tezinin bir hipotez olduğunu varsayarsak; hipotezimizin geçersizliği doğrudan nedensellik ilkesini çiğnemektedir, bu açıdan bilim tarihinin en cüretkar tahmini olduğu söylenebilir, resmen ateşle oynuyor. Fakat fizikçiler için artık bu basit bir tahminden çok uzak, 100 yıldır fizik bu “tahmin”e sırtını dayayarak ilerliyor. Bir de olaya ters açıdan bakalım; bu durumda ise ışık hızının parçacıklar ve bilgi için bir üst limit olması tezi, nedensellik ilkesinin koruyucusu gibi görünüyor.
Nötrinoların kütlesi tam olarak bilinmiyor galiba, ama çok çok.. çok küçük. Ama sıfırdan büyük. Nötrinö tipleri birbirine dönüşüyormuş ve bu tat(flavour) değişimi için az veya çok bir kütleleri olması gerekiyormuş. Kütleli parçacıkların ışık hızına ulaşması için ise sonsuz enerji gerekmektedir. Yani bu model ışığında deney sonuçlarına bakınca ise nötrino’nun sadece ışık hızında yol alması bile modern fizik teorilerinde derin çatlaklara yol açabilecek potansiyelde.
Çok sıkıntı ya bilemiyorum. Yani bu deney sonuçları kesin olarak onaylanırsa şimdiye kadar oluşturulan fizik teorileri neresinden tutsak elimizde kalacak :). “Evladım gel otur bir şey söyleyeceğim …ben senin gerçek annen değilim!” Yok ya.. hayır.. olamaz.. sanmıyorum.
Bugün ntvmsnbc’de şu habere rastladım :).
Tarihi deneyde ‘kablo arızası’ yaptılar
Bilim insanları, Eylül 2011’de yapılan ve Einstein’in görelilik teorisini çürütebileceği iddia edilen ışıktan hızlı nötrino deneyinin, “kablo bağlantısındaki hatadan” dolayı yanlış sonuç verdiğini itiraf etti.
ntvmsnbc
Güncelleme: 15:03 TSİ 23 Şubat. 2012 Perşembe
İsviçre’nin CERN ve İtalya’nın Gran Sasso laboratuarları tarafından Eylül 2011’de yapılan deneyde, atom altı parçacıkları olan nötrinoların ışık hızından daha hızlı hareket ettiği tespit edilmiş ve deneyin sonuçları doğrulanmasa da, bilim dünyasında şok etkisi yaratmıştı.
Deney, Kasım ayında tekralanmış ve bilim dünyasında büyük tartışmaların başlamasına neden olmuştu. Ancak deneyi yürüten bilim insanları, Einstein’ın görelilik teorisini çürütebilecek sonuçların, kablo bağlantılarındaki hata nedeniyle yanlış alındığını kabul etti.
EINSTEIN’IN TEORİSİNİ ÇÜRÜTEMEDİLER
Albert Einstein, 1905 yılında açıkladığı “özel görelilik teoremi” altında, hiçbir maddenin boşlukta ışıktan daha hızlı hareket edemeyeceğini belirtmişti.
CERN ve Gran Sasso laboratuarlarındaki bilim insanları nötrinoların saniyede 299,798,454 metre yol aldıklarını tespit etmişti. Işık hızı ise saniyede 299,792,458. Kısaca, ışığın 2.3 salisede aldığı mesafeyi, nötrinoların 60 nano saniye daha hızlı aldığı öne sürülmüştü.
Deneyde yer alan bilim insanı, ABD’nin Science dergisine, “alınan yanlış sonucun GPS birimiyle bir bilgisayar arasındaki bağlantıdan kaynaklanmış olabileceğini” ifade etti.
HALA SAVUNANLAR VAR
Nötrino deneyini gerçekleştiren araştırmacılar adına konuşan Antonio Ereditato, “Aldığımız sonuçlara güvenimiz tam. Sonuçlarımızı etkileyebilecek tüm unsurları defalarca kontrol ettik ve hiçbir şey bulamadık” dedi.
Einstein’ın görelilik teorisi, modern fiziği ve evreni anlayışımızdaki temelleri oluşturuyor. Nötrino deneyinin sonuçlarının, yapılacak birçok deneyde doğrulanması, fizik kanunlarının yeniden değerlendirilmesi anlamına gelecekti.
OPERA adındaki ilk deneyin ardından, Gran Sasso’da Kasım 2011’de yapılan ikinci deneyde, ilk deneyin sonuçları ikinci kez doğrulanmıştı.
ICARUS adındaki ikinci deneyde, bilim insanları nötrinoların aynı CERN ile Gran Sasso arasındaki mesafeyi kat ettikleri zaman ne kadar enerjiyle yüklendiklerini ölçtü. Elde edilen bulgular, nötrinoların ışıktan hızlı olduğunu göstermişti.
EINSTEIN DESTEKÇİLERİ AYAĞA KALKTI
CERN’de çalışan fizikçi Tomasso Dorigo, ICARUS deneyinin, “nötrinolar ile ışık hızı arasındaki farkın OPERA deneyinde elde edildiği kadar büyük olmadığını, tersine sıfır kabul edilebilecek kadar küçük olduğunu” öne sürmüştü.
Surrer Üniversitesi’nden fizikçi Jim el-Halili ise OPERA deneyinin sonuçlarının doğruluğu ispatlandığı takdirde canlı yayında iç çamaşırını yiyeceğini söylemişti. Halili, “Diğer parçacıkların ışıktan daha hızlı ilerlediğini su gibi şeffaf ortamlarda görürüz. Işık, bu tür ortamlarda ciddi oranda yavaşlıyor… OPERA deneyinde, nötrinolar elektron ve foton gibi parçacıklar saçarak ışıktan hızlı ilerleme özelliği göstermiş olabilir… Ancak kat ettikleri mesafenin sonunda, ilk baştaki enerjiye sahip olmaları, ışıktan hızlı ilerlemiş olabilecekleri ihtimalini geçersiz kılıyor” dedi.
Kaptanmoseyin yorumuna haberin tamamının konulmasını ardından da bu yorumumun silinmesini talep ediyorum.
sonsuz’un bazı yorumlarında haber metnini koyduğunu görüyordum. Ben de o şekilde olsun istedim aslında ama nasıl yapacağımı bilemedim :).