Klątwa ducha w OPERZE?

16 maja 2014
Blog szalonych naukowców

Teleskop BICEP2 (po prawej)Niecałe trzy lata temu, w październiku 2011 roku, świat obiegła wiadomość o przełomowym odkryciu dokonanym przez zespół badawczy „Opera”. Wynik pomiaru prędkości neutrin wytworzonych w CERN-ie pod Genewą, a następnie obserwowanych w laboratorium Gran Sasso we Włoszech, zdawał się wskazywać, że poruszają się one z prędkością większą niż prędkość światła w próżni, według teorii względności największą prędkością, z jaką poruszać się mogą cząstki.

Wziąwszy ten wynik za dobrą monetę, niektórzy fizycy (w tym niżej podpisany) zaczęli tworzyć teorie, które mogłyby efekt nadświetlnych neutrin wytłumaczyć; inni pozostali sceptyczni, twierdząc, że pomiar nie może być prawidłowy. Ci drudzy mieli rację.

Po pół roku okazało się, że jeden z kabli nie był dokładnie dokręcony, co spowodowało niedokładność pomiaru czasu przelotu neutrin. (O początkowym entuzjazmie i lekcji, jaką można wynieść z tej historii, pisałem w „Polityce” tu i tu).

Dwa miesiące temu zespół badawczy BICEP2 ogłosił wyniki swoich pomiarów, które, potencjalnie, wydają się nie mniej rewolucyjne niż nadświetlne neutrina. Ponieważ (liczne) doniesienia prasowe koncentrowały się na mniej istotnych aspektach tego odkrycia (odkryto fale grawitacyjne! – krzyczano, tak jakby pośrednie dowody istnienia fal grawitacyjnych nie były znane od lat i uhonorowane Nagrodą Nobla w 1993 r.), pozwolę sobie poświęcić kilka zdań opisowi tego, co według BICEP2 udało się zaobserwować.

Jak powszechnie wiadomo, wszechświat, w którym żyjemy, powstał wskutek gorącego, wielkiego wybuchu, który miał miejsce około 14 miliardów lat temu. Od tego momentu materia we wszechświecie stygnie stopniowo, by ok. 400 000 lat później stać się przezroczystą. Od tej chwili fotony praktycznie przestają oddziaływać z materią, a światło wyemitowane w tym momencie widzimy dzisiaj w postaci promieniowania reliktowego tła (odpowiadającego promieniowaniu ciała doskonale czarnego w temperaturze 3K). Praktycznie cała nasza wiedza dotycząca młodego wszechświata pochodzi z obserwacji tego promieniowania.

Podstawowymi elementami tej wiedzy są dwie potwierdzone wielokrotnie obserwacje: promieniowanie reliktowe jest z wielką dokładnością jednorodne, innymi słowy: w jakąkolwiek stronę byśmy nie patrzyli, temperatura docierającego z tego kierunku jest z dokładnością do 1/10000 taka sama. Świadczy to o tym, że wszechświat 400 000 lat po wielkim wybuchu był niemal doskonale jednorodny, bez znaczących śladów istnienia jakichkolwiek struktur. Jest to empiryczne potwierdzenie zasady kosmologicznej, w myśl której żadne miejsce we wszechświecie nie jest wyróżnione.

Choć promieniowanie mikrofalowe tła jest bardzo jednorodne, można zaobserwować w nim niewielkie fluktuacje temperatury. Pomiar tych fluktuacji dokonany został po raz pierwszy przez obserwatorium orbitalne COBE, działającego na przełomie lat 80. i 90. ub. w. Obserwacje te potwierdzone zostały w ciągu ostatnich dwudziestu lat przez kolejne eksperymenty; w zeszłym roku obserwatorium kosmiczne PLANCK opublikowało zebrane przez siebie bardzo dokładne dane (acz jeszcze niepełne – kolejna publikacja wyników obserwacji planowana jest pod koniec tego roku).

Według najpopularniejszej teorii kosmologicznej, teorii kosmologicznej inflacji, obserwowane dziś fluktuacje temperatury mają swoje źródło w niewielkich zmianach gęstości materii we wszechświecie, mających miejsce jeszcze przed gorącym wielkim wybuchem. Jednak obserwacja fluktuacji temperatury nie jest traktowana jako ostateczne potwierdzenie tej teorii. Kosmologiczna inflacja przewiduje również, że promieniowanie reliktowe jest w pewien specyficzny sposób spolaryzowanie. Polaryzacja ta powstaje na skutek wpływu, jaki na materię w momencie powstania promieniowania reliktowego miały fale grawitacyjne wytworzone w trakcie inflacji.

Wydaje się, że poza inflacją kosmologiczną nie mamy żadnego innego sensownego wytłumaczenia polaryzacji promieniowania reliktowego, a więc jej zaobserwowanie nie tylko będzie praktycznie niepodważalnym argumentem na rzecz modelu inflacyjnego (i przyniesie zapewne jej twórcom Nagrodę Nobla). Co ważniejsze, obserwacja polaryzacji, jak się wydaje, pozwoli nam zobaczyć, jak wyglądały procesy zachodzące we wszechświecie przed Wielkim Wybuchem.

Dlatego właśnie doniesienia obserwatorium BICEP2 o zaobserwowaniu polaryzacji promieniowania reliktowego wywołały tak wielkie poruszenie. Od samego początku zwrócono jednak uwagę na pewną niepokojącą właściwość ogłoszonych danych.

Kluczowy parametr, zwany r, określający siłę efektu polaryzacyjnego, okazał się dużo większy, niż się spodziewano. W konsekwencji, choć obserwacja ta jest potwierdzeniem ogólnych ram inflacji kosmologicznej, znacząca większość rozważanych dotychczas konkretnych modeli inflacji przewiduje mniejsze wartości tego parametru i, jeśli BICEP2 ma rację, nadaje się do wyrzucenia. To jest oczywiście powód do radości, a nie do smutku: nauka, jak i życie, staje się naprawdę pasjonująca wtedy, kiedy wydarza się coś nieoczekiwanego.

… jeśli BICEP2 ma rację. Dziwnym trafem, pomimo lekcji sprzed trzech lat, tuż po ogłoszeniu wyników obserwacji BICEP2 niewiele było głosów sceptycznych. Zaczynają się one pojawiać dopiero teraz i przebijać do głównego nurtu. Parę dni temu na wpływowym blogu naukowym „Resonaances” pojawił się wpis kwestionujący założenia przyjęte przez zespół BICEP2 i trzeba przyznać, że zastrzeżenia te brzmią poważnie.

Co prawda naukowcy z BICEP2 nie zgadzają się z krytyką i twierdzą, że analiza danych wykonana została poprawnie, wątpliwości pozostają i zapewne nie ustaną, dopóki PLANCK nie ogłosi wyników swoich własnych pomiarów pod koniec roku.

Niezależnie od tego, jak zakończy się sprawa BICEP-a, mówi ona wiele o socjologii nauki. Za pomocą mediów ogłasza się z hukiem wielkie odkrycie, mimo że nie jest ono potwierdzone. W przekazie medialnym nie może zabraknąć miejsca dla Einsteina, bo inaczej odkryciem pies z kulawą nogą się nie zainteresuje. Wygląda na to, że fatum ducha w OPERZE zawisło nad fizyką na dłużej.

Jerzy Kowalski-Glikman

Ilustracja: Wikipedysta Amble, Wikimedia Commons, CC-BY-SA 3.0. Teleskop BICEP2 to ten po prawej.