Το πείραμα που «ανακάτεψε τα χαρτιά της Φυσικής»

Συνέντευξη με τον έλληνα φυσικό  Σταύρο Κατσανέβα

Ο αναπληρωτής διευθυντής στο IN2P3, το Ερευνητικό Κέντρο για την Πυρηνική Φυσική και τα Στοιχειώδη Σωμάτια στο Ανώτατο Εθνικό Επιστημονικό Κέντρο Ερευνών της Γαλλίας, κ. Σταύρος Κατσανέβας μίλησε προς «Το Βήμα» σε σχέση με το πείραμα το οποίο έδωσε αποτελέσματα για την ταχύτητα των νετρίνων που σε πρώτη ανάγνωση αντίκεινται στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας όπως έχει διατυπωθεί από τον Αϊνστάιν.

- Ποια είναι η γνώμη σας για τα αποτελέσματα και τις μετρήσεις στο Γκραν Σάσο;

«Οι μετρήσεις έχουν όλα τα εχέγγυα της επιστημονικής σοβαρότητας. Είναι μια μέτρηση που διήρκεσε τρία χρόνια και ως τον περασμένο Μάρτιο κανένας δεν γνώριζε το αποτέλεσμα. Ηταν αυτό που λέμε μια “τυφλή” ανάλυση, δηλαδή οι ίδιοι οι ερευνητές είχαν εσκεμμένα εισαγάγει έναν αυθαίρετο παράγοντα που δεν τους επέτρεπε να γνωρίζουν το αποτέλεσμα όσο διαρκούσαν οι μετρήσεις. Αυτή η τεχνική χρησιμεύει ως μέσο καταπολέμησης του υποκειμενικού παράγοντα: γιατί υποσυνείδητα σταματάς να εργάζεσαι όταν το αποτέλεσμα μιας επί μέρους μέτρησης πηγαίνει προς τη “σωστή”, κατά την προκατάληψή σου, κατεύθυνση. Συγκεκριμένα, η μέτρηση, όπως κάθε μέτρηση ταχύτητας, περιέχει δύο σκέλη: τη γεωδεσική μέτρηση της απόστασης και τη μέτρηση του χρόνου που έκαναν τα νετρίνα για να ταξιδέψουν από το CERN στο Γκραν Σάσο.

Οσον αφορά το πρώτο σκέλος, την απόσταση, οι μετρήσεις έγιναν από δύο ανεξάρτητα από το πείραμα επαγγελματικά ινστιτούτα μετρολογίας και συμφωνούν με μια αβεβαιότητα 20 εκατοστών του μέτρου, σε μια απόσταση 730 χιλιομέτρων. Οσον αφορά τον χρόνο, το πιο λεπτό σημείο ήταν ο συγχρονισμός των ατομικών ρολογιών του CERN και του Γκραν Σάσο, και έγινε με τη χρήση GPS. Ολες οι επί μέρους χρονικές “καθυστερήσεις”, π.χ. ο χρόνος απόκρισης του ανιχνευτή και των ηλεκτρονικών, έγιναν με δύο διαφορετικούς τρόπους (ατομικά ρολόγια ή παράλληλη μέτρηση με οπτικές ίνες). Δεν είναι τυχαίο ότι στο σεμινάριο ανακοίνωσης των αποτελεσμάτων στο CERN, ο Σαμ Τινγκ, ο νομπελίστας φυσικός που πρόσφατα κατόρθωσε, έπειτα από δεκαπενταετή προσπάθεια, να εγκαταστήσει στον διαστημικό σταθμό τον ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων AMS, έδωσε εύσημα επαγγελματισμού στην ομάδα που κάτω από την ηγεσία του ερευνητή του CNRS Ντάριο Οτιέρο έκανε αυτή τη μέτρηση. Οπως είπε χαρακτηριστικά, “έχω κάνει παρόμοιες μετρήσεις και δεν βλέπω τι άλλο έπρεπε να γίνει που δεν το κάνατε· ο μόνος δρόμος που απομένει πλέον είναι να ελεγχθεί αυτό το αποτέλεσμα από άλλα πειράματα”. Δεν είναι τυχαία τα εύσημα του Τινγκ, διότι φημίζεται για την αυστηρότητα και τη σχολαστικότητά του».

- Εσείς ποιά εμπλοκή είχατε στο πείραμα και στις εργασίες του Opera;

«Η τωρινή μου εμπλοκή είναι αυτή του υπευθύνου για λογαριασμό του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων (IN2P3) του CNRS, των προγραμμάτων Αστροσωματιδιακής Φυσικής, Κοσμολογίας και Νετρίνο, και επομένως των ερευνητικών ομάδων των εργαστηρίων της Λυών, του Στρασβούργου και του Ανεσύ, που έπαιξαν πρωταρχικό ρόλο σε αυτή τη μέτρηση, ταυτόχρονα με τις ιταλικές, ιαπωνικές, ελβετικές, βελγικές, ρωσικές και άλλες ομάδες της Opera. Ως εκ τούτου ήμουν και ο επιστημονικός υπεύθυνος του τρόπου που ανακοινώθηκε το αποτέλεσμα από το CNRS.

Ιστορικά όμως έχω μια ιδιαίτερη εμπλοκή με την Opera και τη δέσμη νετρίνων του CERN, αφού είναι το τελευταίο πείραμα όπου εργάστηκα προτού το 2002 αναλάβω τις σημερινές μου ευθύνες. Σε συνεργασία με τον Αλαν Μπολ και τον Νίκο Βασιλόπουλο σχεδιάσαμε αυτή τη δέσμη νετρίνων το 1995 _ ο Αλαν και ο Νίκος συνόδεψαν την κατασκευή αυτή ως και τα τελικά στάδια. Ημουν επίσης ο σχεδιαστής και ο υπεύθυνος του συστήματος λήψης δεδομένων της Opera που ήταν ιδιαίτερα πρωτοποριακό, αφού όλα τα περίπου 1.200 στοιχεία ανίχνευσης είναι αυτόνομα και κατευθείαν συνδεδεμένα στο Internet, αποτελώντας ίσως τη μεγαλύτερη πραγματοποίηση αυτού που λέμε “Internet των πραγμάτων”. Εχω λοιπόν και εγώ τον λίθο μου στο οικοδόμημα, από την κατασκευαστική πλευρά, αν και βέβαια η ευθύνη και η πιθανή τιμή της μέτρησης αξίζει στις τωρινές ομάδες και ιδιαίτερα στον Ντάριο Οτιέρο του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής της Λυών. Αξίζει επίσης να αναφέρουμε ότι ο αρχηγός της ομάδας του Στρασβούργου είναι ο Ελληνοκύπριος Μάρκος Δράκος, που παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στο πείραμα».

- Αντιμετωπίζεται η περίπτωση συστηματικού λάθους (δηλαδή λάθους από τον τρόπο συγκρότησης του πειράματος) στις μετρήσεις;

«Και βέβαια. Η ανησυχία ότι κάτι παραλείφθηκε κυριαρχεί προς το παρόν σε σχέση με τον πιθανό ενθουσιασμό ότι κάτι καινούργιο ανακαλύφθηκε. Υπολογίστηκε η διαφορετική βαρύτητα στο CERN και στο Γκραν Σάσο; Η γεωδεσική του φωτός στο βαρυτικό πεδίο της Γης; Η επιρροή της Σελήνης και τα φαινόμενα παλίρροιας; Η απόκλιση των ηπείρων; κτλ. κτλ. Το αποτέλεσμα ήταν γνωστό εδώ και έξι μήνες, παράλληλες μετρήσεις είχαν γίνει, μια ομάδα 10 ατόμων εργάστηκε όλο τον Αύγουστο περνώντας από νέο έλεγχο όλα τα στοιχεία της μέτρησης. Οι μελέτες είχαν τελειώσει, τελευταία είχε αρχίσει να διαρρέει, σε μπλογκ κτλ., οπότε αποφασίσαμε “να βγούμε από το δάσος”, όπως λέγεται στη Γαλλία, να δημοσιεύσουμε και να ζητήσουμε από τα άλλα πειράματα να το ελέγξουν.

Αυτό που η παρουσίαση και η συζήτηση στο CERN έδειξε είναι ότι τουλάχιστον κανένα εμφανώς συστηματικό λάθος δεν έχει γίνει. Μετά την παρουσίαση εμφανίστηκαν μελέτες με τίτλο “Ιδού πού έκανε το λάθος η Opera”, αλλά ακολούθησαν μελέτες από τους ίδιους συγγραφείς, τιμή τους, που παραδέχονταν τις παρανοήσεις τους με τον τίτλο “Ιδού πού ΔΕΝ έκανε το λάθος η Opera”. Ο έλεγχος βέβαια συνεχίζεται. Είχαμε μάλιστα την τιμή να μας αφιερώσει το κύριο άρθρο του ο “Monde” της 24ης Σεπτεμβρίου όχι για το αποτέλεσμα αυτό καθαυτό, αλλά για τον τρόπο που ανακοινώθηκε, την αντικειμενικότητα, τη σεμνότητα, την αμφιβολία, την έλλειψη αλαζονείας, την επιστημονική παράδοση του αλληλοελέγχου κτλ., συγκρίνοντάς τη με τις αντίθετες παραδόσεις των πολιτικών, των οικονομολόγων, των συμφερόντων σε σχέση π.χ. με τη φαρμακοβιομηχανία. Μια μεγάλη πρωτιά, τουλάχιστον στη Γαλλία».

- Αφού το νετρίνο έχει μάζα, πώς συμβιβάζεται με τον τύπο του Αϊνστάιν που δείχνει ότι η μάζα γίνεται μη πραγματική όταν ξεπερνούμε την ταχύτητα του φωτός;

«Ο τύπος του Αϊνστάιν έχει στο θεμέλιό του τους λεγόμενους μετασχηματισμούς του Λόρεντζ. Αυτοί εξασφαλίζουν το γεγονός ότι οι νόμοι της φύσης μένουν οι ίδιοι είτε τους περιγράφετε σε ένα σύστημα αναφοράς ακίνητο ως προς εσάς, είτε σε ένα σύστημα που κινείται με σταθερή ταχύτητα, είτε ακόμη στην περίπτωση της γενικής σχετικότητας σε ένα επιταχυνόμενο σύστημα. Δεν υπάρχει, δηλαδή, ένα προνομιακό σύστημα αναφοράς στον κόσμο, όλα είναι ισοδύναμα: η περίφημη σχετικότητα. Οι μετασχηματισμοί αυτοί παίζουν τον ανάλογο ρόλο με τους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου, την πρόσθεση δηλαδή των ταχυτήτων, στο νευτώνειο σύστημα. Ο Αϊνστάιν έδειξε ότι η νευτώνεια μηχανική παύει να είναι ακριβής στο όριο των ταχυτήτων που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός και οι γαλιλαιικοί μετασχηματισμοί αντικαθίστανται από τους πιο γενικούς μετασχηματισμούς του Λόρεντζ. Το νετρίνο στο πείραμα Οpera, λόγω της μικρής του μάζας και της υψηλής του ενέργειας, ελέγχει τους μετασχηματισμούς του Λόρεντζ σε ένα κινηματικό καθεστώς όπου η ταχύτητα πλησιάζει κατά πολύ την ταχύτητα του φωτός. Ε, ναι, λοιπόν, πιθανόν σε αυτό το ιδιαίτερο καθεστώς ή για αυτό ιδιαίτερα το σωματίδιο να χρειάζονται διορθωτικοί όροι που γενικεύουν τους μετασχηματισμούς. Μερικοί τίτλοι εφημερίδων εδώ στη Γαλλία ανακοίνωσαν σε πρωτοσέλιδα την ανατροπή του Αϊνστάιν. Αυτό είναι υπερβολικό γιατί, εφόσον οι μετρήσεις της Opera χρησιμοποιούν το GPS και η ακρίβεια του GPS βασίζεται στη θεωρία του Αϊνστάιν, θα ήταν αντιφατική η χρήση τους για να αποδειχθεί ότι ο Αϊνστάιν είναι “λάθος”. Η επιστήμη, αντίθετα με την πολιτική ή κάποιες κοινωνικές επιστήμες, δεν προχωρεί με “ανατροπές” αλλά με γενικεύσεις. Βρίσκουμε ένα σημείο όπου κάποιος νόμος θα αντικατασταθεί από κάποιον άλλο γενικότερο. Αν και οι κραυγαλέοι τίτλοι συνοδεύτηκαν εν γένει από προσεγμένα άρθρα. Και εν πάση περιπτώσει, δεν είμαστε ακόμη εκεί, θα χρειαστούν πολλές άλλες μετρήσεις και επιβεβαιώσεις προτού η γενίκευση του Αϊνστάιν μπει στην καθημερινή ατζέντα».

- Παραβιάζεται η αιτιότητα;

«Θα διαβάσατε το ανέκδοτο στο προσεγμένο άρθρο του “Nature” για το αποτέλεσμα. Ο μπάρμαν ρωτάει “τι ποτό θα πάρετε; ” και μετά μπαίνει το νετρίνο στο μπαρ. Ή τα σενάρια όπου ταξιδεύουμε στο παρελθόν και σκοτώνουμε τους γονείς μας, ώστε δεν γεννιόμαστε, το τέλειο οιδιπόδειο έγκλημα, κτλ. κτλ. Ολα αυτά είναι επιστημονική φαντασία. Η αιτιότητα θα είναι το τελευταίο πράγμα που θα εγκαταλείψει η Φυσική. Η αιτιότητα διατηρείται πλήρως αν μερικά σωματίδια, στην περίπτωσή μας το νετρίνο, έχουν το καθένα τη δική τους ανώτερη ταχύτητα ή αν εγκαταλείψουμε την υπόθεση ότι οι νόμοι της φύσης είναι ανεξάρτητοι από το σύστημα αναφοράς, αν δηλαδή υποθέσουμε ότι υπάρχει ένα προνομιακό σύστημα αναφοράς, π.χ. το σύστημα αναφοράς της ακτινοβολίας που έρχεται από το μπιγκ μπανγκ. Αυτό που παραβιάζεται σε αυτές τις περιπτώσεις δεν είναι η αιτιότητα, αλλά η συμμετρία των νόμων της φύσης κάτω από τους μετασχηματισμούς του Λόρεντζ.

Υπάρχουν επίσης προτάσεις στο πλαίσιο της κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας όπου η δομή του χώρου αλλοιώνεται σε πολύ μικρές αποστάσεις: αποκτά π.χ. διακριτά χαρακτηριστικά, υπάρχει “κβαντικός αφρός”, ή ο χωροχρόνος γίνεται ένα επιφαινόμενο των θεμελιωδών αντιδράσεων και τότε λέμε ότι αναδύεται. Αυτές οι προτάσεις παραβιάζουν το συνεχές των μετασχηματισμών Λόρεντζ και επιτρέπουν ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός. Διατηρείται όμως σε αυτές τις θεωρίες η αιτιότητα; Κανένας δεν γνωρίζει γιατί εν γένει όταν “παντρεύεις” τη σχετικότητα με την κβαντομηχανική η αιτιότητα υποφέρει, εφόσον η πρώτη είναι μια κλασική θεωρία όπου οι τροχιές είναι πλήρως καθορισμένες και η δεύτερη είναι πιθανοτική και οι τροχιές είναι “φλου”. Μπορούν επομένως να βρεθούν με κάποια πιθανότητα εκτός της περιοχής που καθορίζεται από την αιτιότητα. Εφόσον λοιπόν δεν έχουμε μια πλήρη ενοποιημένη θεωρία αλλά απλές ιδέες ή προτάσεις, το ζήτημα της αιτιότητας δεν μπορεί να απαντηθεί επακριβώς».

- Υπάρχει περίπτωση να έχουμε εμπλοκή άλλων διαστάσεων πέραν των τριών;

«Υπήρξαν προτάσεις, όπως ότι στο πλαίσιο ενός σύμπαντος πολλαπλών διαστάσεων το νετρίνο έχει μεν την ταχύτητα του φωτός αλλά “κόβει δρόμο” μέσω των άλλων διαστάσεων. Επαναλαμβάνω, όμως, πρόκειται για προτάσεις και όχι για πλήρεις θεωρίες».

- Υπάρχει κάποια άλλη επικρατέστερη εξήγηση;

«Δεν υπάρχει επικρατέστερη εξήγηση και, αν θέλετε μάλιστα, οι περισσότερες θεωρίες προβλέπουν φαινόμενα πολύ μικρότερα από το αποτέλεσμα της Opera, από όπου προκύπτει και ένας δικαιολογημένος σκεπτικισμός των θεωρητικών. Δεν αποκλείεται επίσης αυτό που φαίνεται να είναι ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός να αποτελεί απλώς μια φαινομενική ταχύτητα φάσης, που προκύπτει από φαινόμενα κβαντομηχανικής συμβολής, όπως προβλέφθηκε ήδη από το 1978 από τον Γουλφενστάιν. Σε αυτή την περίπτωση και η μέτρηση θα ήταν σωστή αλλά και ο τύπος του Αϊνστάιν απαραβίαστος. Θα είχαμε παρ' όλα αυτά τη μέτρηση ενός νέου και πολύ ενδιαφέροντος φαινομένου.

Συμπερασματικά, αυτή είναι η συνηθισμένη λειτουργία της επιστήμης μπροστά σε ένα αναπάντεχο αποτέλεσμα. Μπορείς να αναρωτηθείς για λίγο καιρό “και τι θα γινόταν αν παρ' όλα αυτά... ” και να εξετάσεις τις θεωρητικές και πειραματικές επιπτώσεις. Ενα είναι σίγουρο: αυτή η “ανωμαλία” ξεκίνησε μια “βιομηχανία” θεωρητικών δημοσιεύσεων και πειραματικών προτάσεων για τον έλεγχο των αποτελεσμάτων ή των έμμεσων επιπτώσεών τους. Το ενδιαφέρον μας εστιάστηκε στο πρόβλημα, ανεξάρτητα από το αν το αποτέλεσμα θα επιβεβαιωθεί ή όχι στο μέλλον. Θυμάμαι μια ανάλογη περίπτωση όταν τη δεκαετία του '70 υπήρξε μια πειραματική ανακοίνωση ότι τα νετρίνα έχουν μάζα. Το αποτέλεσμα δεν επιβεβαιώθηκε αλλά ξεκίνησε μια σειρά πειράματα και τελικά ανακαλύφθηκε, περίπου μία τριαντακονταετία αργότερα, ότι τα νετρίνα έχουν πράγματι μάζα. Και τα λανθασμένα αποτελέσματα παίζουν έναν ρόλο στην εξέλιξη του επιστημονικού διαλόγου. Το αποτέλεσμα λοιπόν της Opera είναι σαν κάποιος να άνοιξε ένα παράθυρο και ο φρέσκος αέρας προσωρινά ανακάτεψε τα χαρτιά που είχαμε επάνω στο γραφείο μας».

πηγή: http://www.tovima.gr/science/article/?aid=423928&h1=true, του Α. Γαλδαδά