تعمل النسبية الخاصة على مزامنة الوقت في تجربة تاكيون نيوترينو وتحل المشكلة في التجربة. نيوترينوات تاكيون الجزء الثاني

الدكتور غالي وينشتاين

للمقال الأول في السلسلة

وجدت تجربة النيوترينوات OPERA أن شعاع النيوترينوات الذي تم إنشاؤه في CERN بالقرب من جنيف وصل إلى مختبر Gran Sesso في إيطاليا قبل حوالي 60 نانو ثانية من سرعة الضوء. كتب رولاند فان ألبورج من جامعة جرونينجن في هولندا مقالًا قدم فيه حجة مقنعة إلى حد ما فيما يتعلق بالخطأ الذي كان أساس الترتيب التجريبي لتجربة OPERA: لم يأخذ مجربو OPERA في الاعتبار حركة ساعات مختلفة - CERN+OPERA والأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) فيما يتعلق ببعضها البعض. وبدلاً من ذلك، اعتبروا أن الجميع يتناسب مع نظام مرجعي عالمي واحد. عندما ترتكب هذا الخطأ ولا تأخذ في الاعتبار الحركة النسبية بين الساعات، فإنك تحصل على أن النيوترينوات تصل قبل 32 نانو ثانية إلى كل محطة. نظرًا لوجود محطتين (CERN وGran Sesso)، وصلت النتريت وفقًا لحسابات Van Aalborg قبل 64 نانو ثانية.

تجربة OPERA هي في المقام الأول قياس للمسافة والزمن. لنبدأ بالمسافة. تم قياس موضع النيوترينوات المنتجة في CERN باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). ومن الصعب قياس موقع معمل غران سيسو لأنه يقع في أعماق الأرض، تحت جبل على عمق كيلومتر واحد. يكتب فريق الأوبرا في مقالته أنهم قاموا بقياس مسافة 730 كيلومترًا بدقة 20 سم.

الان هو الوقت توجد مشكلة في مزامنة الساعة. تتكون التجربة من ثلاثة أنظمة مرجعية مختلفة: الأول هو CERN (توجد ساعة في CERN) والثاني هو Gran Sasso (توجد ساعة أخرى في Gran Sasso). لا يتحركون بالنسبة لبعضهم البعض. أرسل شعاع النيوترينو بين إطار مرجعي وإطار مرجعي آخر. الآن تخيل نظامًا مرجعيًا آخر، وهو الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الموجودة في مدار فوق الأرض. ترسل الساعات الموجودة في أقمار GPS الصناعية إشارات بسرعة الضوء وبما أن سرعة الضوء ثابتة بالنسبة لجميع الأنظمة المرجعية (ومستقلة عن سرعة القمر الصناعي) فيمكن اعتبارها نظامًا مرجعيًا في حالة السكون. إذن لدينا ثلاثة أنظمة مرجعية في حالة سكون، أحدهما بالنسبة للآخر. كيف يمكننا مزامنة الساعات بين هذه الأنظمة المرجعية الثلاثة؟ وحدد الباحثون نظامًا مرجعيًا عالميًا واحدًا - وهو التوقيت العالمي - والذي سيشمل هذه الأنظمة المرجعية الثلاثة. ولكن تبين أن الحجة هنا خاطئة!

أظهر فان ألبورج أنه لا يمكن تعريف مثل هذا النظام المرجعي العالمي. على الرغم من أن سرعة الضوء لا تعتمد على الإطار المرجعي وفقًا للنسبية الخاصة، إلا أن زمن سفر القمر الصناعي يعتمد على الإطار المرجعي. ولهذا السبب لدينا نظامان مرجعيان: أحدهما للتجربة على الأرض: CERN وGran Sesso والآخر للساعات الموجودة في المدار (الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع). وبما أن النظامين يتحركان بالنسبة لبعضهما البعض، فإن التأثيرات النسبية تدخل حيز التنفيذ والتي يجب أن تؤخذ في الاعتبار ويبدو أنها لم تؤخذ في الاعتبار في تجربة OPERA.

كما أن هناك مشكلة فلسفية، وهي أن تقنية تحديد المواقع والتزامن المذكور لم يكن من الممكن أن يتم لولا نظرية النسبية لأينشتاين... وتستخدم نفس التكنولوجيا لاختبار نظرية أينشتاين وكذلك لدحضها. كيف يكون هذا ممكنا؟ وسنترك مناقشة هذا السؤال لفلاسفة العلم ونعود إلى قضاياه.

دعونا نفحص الحجة بمزيد من التفصيل. تخيل تجربة الأوبرا. ساعة موضوعة بجوار SPS Super Proton Synchrotron في CERN ومراقب يقف بجانبها. الآن تخيل ساعة أخرى تقف بجوار كاشف OPERA ومراقبًا يقف بجانبها. في SPS، يتم إنشاء شعاع عن طريق تسريع البروتونات إلى 400 GeV، ويتم إخراج البروتونات بمساعدة مغناطيس نحو هدف الجرافيت، حيث يتم إنشاء العناصر الغذائية التي تتحلل إلى نيوترينوات في نفق مفرغ. يتكون شعاع النيوترينو بالكامل تقريبًا من شعاع من النيوترينوات المتأينة بطاقة تبلغ 17 جيجا إلكترون فولت.

لتحسين الدقة، تم وضع أجهزة استقبال GPS Septenario PolaRx2eTR متطابقة وساعات ذرية Symmetricum Cs4000 متطابقة بالقرب من مراقبي CERN وGran Sasso. تستطيع أجهزة استقبال GPS القياسية تحديد الوقت بدقة تتراوح بين 100 نانو ثانية وبضعة ميكروثانية. ومع ذلك، استخدمت أجهزة استقبال GPS Septenario في تجربة النيوترينو خوارزميات خاصة ونماذج جيوديناميكية قللت من الأخطاء الإضافية. قام المعهد السويسري للأرصاد الجوية بمعايرة نظامي تحديد المواقع العالمي (GPS) والساعات الذرية، أحدهما في جرينسو والآخر في CERN. وتم التحقق من هذه المعايرة من قبل معهد الأرصاد الجوية الألماني. وهكذا حققوا دقة تصل إلى بضعة نانو ثانية، وهو المستوى المطلوب لقياس زمن انتقال النيوترينوات.

لقد قمنا حتى الآن بمزامنة نظامين للساعة في نظامين مرجعيين (CERN وOPERA) لا يتحركان بالنسبة لبعضهما البعض. سوف نسمي هذا النظام المرجعي النظام المرجعي CERN-OPERA. كما تذكر في النسبية الخاصة، قام أينشتاين بمزامنة الساعات بسهولة في إطار مرجعي واحد.

تحتوي أجهزة استقبال Septenario GPS على تحسين مصمم لحساب الإزاحة الزمنية بين الساعات الذرية المحلية وساعات الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS). كانت الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) تدور على ارتفاع 20,000 ألف كيلومتر فوق الأرض، وقد أرسلت إشارة زمنية دقيقة جدًا إلى أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (Septenario). ولذلك، يجب أن يؤخذ في الاعتبار زمن انتقال إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) من المرسل إلى المستقبل.

قام الباحثون بتطبيق تصحيحات نسبية على الإشارات القادمة من الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لجعلها أقرب ما يمكن إلى إحداثيات زمنية عالمية تعادل نظام مرجعي قصوري واحد أطلقوا عليه اسم النظام المرجعي الجيوديسي العالمي. أدى هذا بالفعل إلى تعقيد قياس الوقت لأنه كان من الضروري مزامنة ساعات Gran Sasso وساعات CERN مع ساعات الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بطريقة معقدة للغاية.

وبسبب هذا المستوى من الدقة وبسبب تأثيرات العبور الجوي، لم يكن من الممكن بعد استخدام إشارة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لمزامنة إحداثيات التوقيت العالمي مع المستوى الضروري من الدقة بترتيب النانو ثانية المطلوبة في تجربة OPERA. وللتقدم إلى ما هو أبعد من هذا المستوى من الدقة، استخدم الباحثون في تجربة OPERA ساعة ذرية (مكون نقل الوقت) التي قامت بمعايرة الفرق في إشارات الوقت في كل مستقبل GPS. لقد كانت ساعة ذرية دقيقة للغاية ويمكن نقلها من مكان إلى آخر. حدد الباحثون طول المسار بالكامل في CERN وGrenoble باستخدام أجهزة استقبال GPS واستخدموا مكون نقل الوقت لضبط التوقيت العالمي.

في البداية حاول الفيزيائيون البحث عن خطأ في المعايرة وادعوا أن المجربين في تجربة OPERA لم يأخذوا في الاعتبار تأثيرات النسبية العامة. اقترح عالم فيزياء يُدعى كارلو كونتالدي من إمبريال كوليدج أن التشوه المركزي يرجع إلى تباطؤ الوقت بسبب حركة الساعة الذرية (مكون نقل الوقت) على طول مسار 730 كم في إمكانات جاذبية غير منتظمة. يقدم هذا بعض التشوهات الزمنية النسبية. ولذلك هناك تناقض بين الوقت الذي تظهره الساعة في نهاية CERN - حيث تمت مزامنة هذه الساعة الذرية في البداية ثم انطلقت - والوقت الذي تظهره عند مقارنتها بالساعة الموجودة في مختبر غران سيسو. هذا التأثير هو في حدود 3 نانو ثانية. يدعي كونتالدي أنه يجب أن يؤخذ في الاعتبار تأثير تباطؤ الوقت هذا بالإضافة إلى تباطؤ الوقت عندما تكون الساعة الذرية في حالة راحة ولا تتحرك على الإطلاق بين CERN وOPERA. ولم يؤخذ هذا التأثير في الاعتبار عند إجراء التجربة. وبالتالي فإن التباين في الأزمنة يكون أكبر بسبب تباطؤ الأزمنة بسبب قوة الجاذبية غير المنتظمة.
ومع ذلك، فإن ادعاء كونتالدي ليس كافيًا لتفسير نتائج تجربة النيوترينو. ولذلك سوف نعود إلى النظرية النسبية الخاصة.
دعونا نفحص الترتيب على المستوى المبدأي. دعونا نتخيل مشاهدًا وهميًا يركب على شعاع النيوترينوات. كيف يرى الشعاع المرسل من المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) إلى غران ساسو؟ يركب على طول القرن على طول نفق تحت الأرض باتجاه غران سيسو. توجد على طول النفق ساعة ذرية تنتقل مع الشعاع حتى تصل إلى وجهتها عند كاشف OPERA.
هذه هي بالضبط تجربة أينشتاين الفكرية الشهيرة التي توصل إليها عندما كان عمره 16 عامًا: أينشتاين يركب على شعاع الضوء. قال أينشتاين على وجه التحديد أن مثل هذا الراصد سيرى شعاع الضوء يتحرك بسرعة الضوء بالنسبة له.
دعونا نتخيل مشاهدًا خارج هذا المجمع من النفق الذي يربط CERN بـ Gran Sasso. بجانبه الساعات والأقمار الصناعية لتحديد المواقع. ويعني ذلك أن هذا الراصد يتحرك بالنسبة للمدار الذي يبلغ طوله 730 كيلومترًا والذي يربط CERN بجران ساسو. سيظل يرى شعاع النيوترينوات يتحرك بسرعة الضوء أو بالقرب منها. لكن وفقًا للنظرية النسبية الخاصة، فإن مواقع مصدر النيوترينوات في CERN وكاشف OPERA في Gran Sasso تتغير الآن. ومن وجهة نظر هذا الراصد، فإن كاشف OPERA يتحرك نحو مصدر النيوترينوات في CERN. ونتيجة لذلك، فإن الراصد الذي يقف بجانب الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) سوف يقيس أن شعاع النيوترينوات يتحرك مسافة أقصر من المسافة التي يقاسها الراصدون في النظام المرجعي على الأرض.
وفي تجربة OPERA، لم يلاحظ المجربون هذه الظاهرة لأنهم كانوا يفكرون في أجهزة استقبال GPS Septenario PolaRx2eTR والساعات الذرية Symmetricum Cs4000 والتوقيت العالمي الذي تمكنوا من ضبطه على الأرض، ولم يفكروا في النظام المرجعي وفي المدار، ساعات الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)؛ هذا هو المكان الذي تتم فيه المزامنة بالفعل.
قام Roland van Aalborg بتصحيح هذا الخطأ: حيث قام بمقارنة وقت السفر في النظامين المرجعيين، أي ساعة القمر الصناعي GPS ونظام CERN-OPERA. قام المجربون في نظام CERN-OPERA بقياس زمن انتقال شعاع النيوترينوات. وقت السفر هذا لا يساوي وقت السفر الذي يحسبه مراقب يجلس بجوار ساعات الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS). في النظام المرجعي لساعات الأقمار الصناعية GPS، يتحرك كاشف OPERA نحو شعاع النيوترينوات المنبعثة من CERN. وفي تجربة OPERA تدور الساعات حول الأرض بواسطة الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) فوق سطح الأرض في مستوى ثابت مائل بزاوية 55 درجة على خط الاستواء.

أي أنها تتحرك من الغرب إلى الشرق بشكل موازٍ تقريبًا لمدار CERN-OPERA. لذلك من السهل حساب حركتهم. الوقت الذي يقاسه مراقب وهمي موجود بالقرب من ساعات الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) يكون أطول بسبب طول الأوقات.

ما هو الفرق بين الوقت المقاس في النظام المرجعي CERN-OPERA والوقت المقاس في النظام المرجعي لساعة القمر الصناعي GPS عندما تؤخذ التأثيرات النسبية في الاعتبار؟ أي ما هو الفرق بين الوقت في النظام المرجعي CERN-OPERA والوقت المقاس في تجربة OPERA؟ يحسب فان ألبورج أن فارق التوقيت أقصر بمقدار 32 نانو ثانية من الوقت المقاس في النظام المرجعي CERN-OPERA. نظرًا لأن هذا الاختلاف ينطبق على كل طرف من أطراف التجربة ويتعلق بطرفين - CERN وOPERA، اضرب النتيجة في اثنين واحصل على 64 نانو ثانية، تقريبًا هو الرقم الذي قاسه فريق OPERA بالفعل في التجربة.

http://www.theregister.co.uk/2011/10/06/opera_and_general_relativity

إلى المقالة الأولى في ARXIV

إلى المادة الثانية في ARXIV

إلى الأخبار في Universe Today التي يستند إليها هذا المقال