Überlichtschnelle Neutrinos?
Meinem persönlichen Eindruck nach ist die fundamentale Teilchenphysik in den letzten Jahren eher weniger aufregend gewesen. Das Standardmodell der Teilchenphysik ist nach wie vor ein nicht besonders schönes Gebilde, und mir war schon vor einem Jahr als Blogger beim Lindauer Nobelpreisträgertreffen aufgefallen, dass die Biologen, z.B. Jack Szostak, dort hochspannende Vorträge über rasante Fortschritte der letzten Jahre hielten, während der Vortrag z.B. des theoretischen Teilchenphysikers David Gross im großen und ganzen genau so auch vor zehn Jahren hätte gehalten werden können. Hat sich das mit der neuesten CERN-Meldung geändert?
Erst noch einmal ein paar Schritte zurück. Die Neutrinos, in der es bei der neuen Meldung geht, waren bereits für die letzte größere Erschütterung in der Teilchenwelt verantwortlich. Das war vor etwas mehr als 10 Jahren; das Problem ließ sich aber noch deutlich weiter zurückverfolgen: In den 1960er Jahren hatten Raymond Davis (der später für seine Arbeiten den Nobelpreis bekam) und der Astrophysiker John Bahcall (der sich u.a. unermüdlich für den Bau des Weltraumteleskops Hubble einsetzte) ein Experiment durchgeführt, das von der Sonne kommende Neutrinos nachweisen sollte (genauer: Bahcall hatte die theoretische Vorarbeit geleistet, Davis das Experiment gebaut).
Neutrinos sind schwer nachzuweisen, da sie nur höchst selten mit normaler Materie in Wechselwirkung treten. Ursprünglich wurde ihre Existenz nur postuliert, weil in bestimmten Reaktionen ansonsten Energie, Impuls und Drehimpuls verloren gegangen wären. Sie entstehen bei Kernreaktionen, die mit der schwachen Kernkraft zu tun haben, einer der vier Grundkräfte der Physik. Das machte sie zu idealen Probeteilchen für Bahcall, der einen Großteil seiner Karriere der Entwicklung des Standardmodells der Sonne widmete und das Problem hatte, dass man nun einmal nicht ins Sonneninnere sehen kann. Dagegen entstehen im Sonneninneren bei den Kernfusionsreaktionen, die die Sonne letztlich zum Leuchten bringen, Unmengen von Neutrinos, von denen die meisten (kaum Wechselwirkung mit Materie!) weitgehend unbeschadet in den Weltraum fliegen. Diese Neutrinos wollte Bahcall nachweisen, um sein Modell der Sonne zu überprüfen. Die Detektoren dafür sind typischerweise große Tanks, umgeben von konventionellen Teilchendetektoren - man wartet darauf, dass Neutrinos mit der Tankmaterie reagieren und sich das Ergebnis nachweisen lässt.
Solche Detektoren haben eine höchst geringe Nachweisrate (kaum Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie eben). Diese geringe Nachweisrate kann man aber in die Vorhersage mit einbauen, und dann erhält man eine Aussage darüber, wieviele Sonnenneutrinos ein gegebenes Experiment denn nun im Mittel auffangen sollte.
In Davis' Experiment, das in 1,5 km Tiefe in einem Bergwerd in Süd-Dakota aufgestellt war (damit andere, störende Teilchen gar nicht erst bis dorthin vordringen sollten) kamen aber bei weitem nicht soviele Neutrinos an wie von Bahcall vorhergesagt. Das "Problem der Sonnen-Neutrinos" war geboren, bei dem sich Astrophysiker/Kernphysiker und Teilchenphysiker über Jahrzehnte gegenseitig den Schwarzen Peter zuschoben, was denn nun schiefgegangen war und worin die Diskrepanz bestand ("Repariert mal euer Sonnenmodell!" - "Bringt ihr doch erstmal eure Experimente in Schuss!" - zugegeben, das ist leicht vereinfacht.)
Solch ein Konflikt ist für die Wissenschaft selbst dann von großem Nutzen, wenn keine fundamental neuen Erkenntnisse dabei herauskommen, denn er gibt vielen Leuten besondere Motivation, jedes Glied der Argumentationskette, inklusive der Argumente und Rechnungen des Standardmodells der Sonne kritisch und ganz genau unter die Lupe zu nehmen. Bei Experimenten, bei denen alles so läuft wie erwartet, wird höchstwahrscheinlich etwas weniger in die genaue Prüfung und in Gegenproben investiert. Nicht zuletzt: Förderanträge dürften eine deutlich größere Chance auf Bewilligung haben, wenn ein ungelöstes Problem im Raum steht, als wenn jemand einfach nur mal so sein bereits durchgeführtes Experiment überprüfen möchte.
In diesem Fall gab es dann aber in der Tat fundamental neue Erkenntnisse. Kurz vor der Jahrtausendwende gab es erste belastbare Hinweise darauf, dass sich die drei verschiedenen Sorten von Neutrinos, die es im Standardmodell gibt, ineinander umwandeln können. Wenn ein so genanntes Elektron-Neutrino losfliegt, eben z.B. im Sonneninneren, muss in großer Distanz nicht unbedingt auch ein Elektron-Neutrino ankommen. Stattdessen könnte auch ein Muon-Neutrino oder ein Tauon-Neutrino (das sind die beiden anderen Sorten) ankommen. Das war die Auflösung des Rätsels der fehlenden Neutrinos. Mit den neuen Experimenten wurde klar: In der Sonne waren in der Tat soviele Elektron-Neutrinos losgeflogen, wie die Astrophysiker vorhergesagt hatten. Nur hatten sich eine Menge davon auf ihrem Weg zur Erde in andere Neutrinosorten verwandelt. Und die Experimente, die ebenfalls nur Elektron-Neutrinos nachweisen konnten, meldeten dann eben eine Diskrepanz. Bei einem Experiment, das alle Neutrinosorten nachweisen konnte, stimmte die Bilanz dann wieder.
Das war noch aus einem anderen Grunde interessant, denn damit diese Umwandlungsreaktionen stattfinden können, müssen Neutrinos eine Masse besitzen. Bis dahin hatte man die Neutrinos für masselose Teilchen gehalten. Aber auch hier zeigt sich, warum das Standardmodell der Teilchenphysik nicht besonders elegant ist. Den Umstand, dass Neutrinos Masse besitzen, konnte man dort ziemlich einfach einbauen. Zugespitzt gesagt: Es gab keinen Aufschrei, kein großes Krachen, keine Verschiebungen der ganzen Struktur aufgrund dieser neuen Erkenntnis; man hat nur ein paar neue Terme eingeführt und ein paar neue Parameter. Hm.
Immerhin war das der Auftakt zu einer Reihe interessanter Experimente. Damals (wie weitgehend auch heute) bestand die moderne Form des Teilchenexperiments darin, Teilchen aufeinanderzuschießen und die Bruchstücke anzuschauen. Nun gab es verstärktes Interesse an Experimenten, die beschleunigte Teilchen auf geeignete Materie schossen, so dass dabei schön viele hochenergetische Neutrinos erzeugt wurden. Die Neutrinos konnte man dann hunderte oder mehr als tausend km weiter weg mit ganz ähnlichen oder sogar denselben Detektoren nachweisen, wie sie bereits zum Nachweis der Sonnenneutrinos verwendet worden waren. Allerdings mit dem entscheidenden Vorteil, dass man im Unterschied zur Sonne die Erzeugungsparameter direkt beeinflussen konnte.
Eines dieser Experimente ist CNGS, ausgeschrieben: "Wir schicken Cern-Neutrinos zum Gran Sasso!" Beim CERN steht der für das Experiment eingesetzte Teilchenbeschleuniger (nicht der berühmte LHC, sondern ein Vorgängermodell namens SPS), und im Gran-Sasso-Laboratorium im gleichnamigen Tunnel unter dem gleichnamigen Gebirgsmassiv steht ein Detektor.
Und von eben dort kam gestern (oder so) die Nachricht, die Forscher hätten die mittlere Flugzeit der Neutrinos gemessen und wären auf einen Wert gekommen, der einige hundertstel Promille über der Lichtgeschwindigkeit liegt. Das wäre, wenn es stimmt, eine Revolution - laut der Speziellen Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit eine absolute Geschwindigkeitsobergrenze, und Teilchen, die sich schneller bewegen ("Tachyonen") kann man zwar definieren, aber sie haben alle möglichen höchst sonderbaren Eigenschaften; bis auf wenige Ausnahmen dürfte wohl kein Teilchenphysiker erwarten, dass diese hypothetischen Teilchen in der Natur tatsächlich vorkommen.
Hinzu kommt, dass die Geschwindigkeit von Neutrinos bereits vorher schon gemessen wurde - aus spektakulärem Anlass, nämlich beim Nachweis der ersten außerirdischen Neutrinos, die nicht von der Sonne stammen. Das waren die Neutrinos der Supernova 1987A, und die zumindest haben sich mit großer Genauigkeit als mit ziemlich genau Lichtgeschwindigkeit fliegend herausgestellt - zehntausend Mal genauer als bei den jetzigen Messungen (in Wirklichkeit dürften sich die Neutrinos, da sie ja, s.o., eine Masse besitzen, innerhalb der Genauigkeitsgrenzen ein winziges bisschen unterhalb der Lichtgeschwindigkeit bewegt haben). Freilich, das bliebe als Schlupfloch, war die Energie dieser Neutrinos deutlich geringer als bei den jetzt künstlich erzeugten Neutrinos. Das macht die Erklärung aber eher noch schwerer; die erwähnten merkwürdigen hypothetischen überlichtschnellen Teilchen bleiben immer überlichtschnell und lassen sich nicht auf unterhalb der Lichtgeschwindigkeit abbremsen.
Die Nachricht der vermeintlich überlichtschnellen Neutrinos machte, soweit ich weiss, gestern erstmals die Runde. Heute morgen jedenfalls, auf der Jahrestagung der Astronomischen Gesellschaft in Heidelberg, gab es schon eine Sprecherin, die zwei Mal, als ihre Powerpoint-Präsentation aufgrund technischer Fehler verschwunden war und sie ihren Fachvortrag nicht weiter halten konnte, nach weiterem Konversationsstoff suchend ins Auditorium fragte, ob denn jemand von den überlichtschnellen Neutrinos am CERN gehört habe. (Bevor eine Diskussion aufkommen konnte, funktionierte die Präsentation aber dann jeweils wieder.)
Jedenfalls wissen die CERN-Menschen so gut wie die anderen Physiker, dass solch ein Ergebnis eine große Sensation wäre. Schlecht vorstellbar, dass die überlichtschnellen Neutrinos, wenn sie sich denn bestätigten, nur wieder zu einer disjunkten kleinen Korrektur am Standardmodell der Teilchenphysik führen würden. Wenn, dann dürfte das ganze Gebäude ziemlich in Bewegung geraten. Das ist eine aufregende Vorstellung, denn dann wäre in der fundamentalen Teilchenphysik endlich einmal wieder richtig etwas los - am LHC, dem derzeit größten Teilchenbeschleuniger, geht es ja doch eher langsam voran; man hat das Higgs-Teilchen, das zum Vervollständigen des Standardmodells fehlt, etwas weiter eingekreist als vorher, während die exotischeren möglichen Ergebnisse dieses Teilchenbeschleunigers (Supersymmetrie! Winzige Schwarze Löcher!) erst einmal ausgeblieben sind. Da liest sich die letzte CERN-Pressemitteilung schon ziemlich kläglich, wenn der Sprecher eines Experiments aufgeregt davon spricht, die LHC-Daten hätten ihnen in den letzten Monaten "great strides in our understanding of the Standard Model" erlaubt. Sorry, Leute, aber große Schritte beim Verständnis des Standardmodells sind (a) euch zu gönnen, (b) beim LHC sicher in Zukunft noch möglich, aber (c) sicher nicht das, was ihr da in den letzten Monaten gemacht habt.
Da wären die überlichtschnellen Neutrinos schon etwas ganz anderes. Allerdings gilt bei solchen Ergebnissen immer: erst einmal ist Vorsicht geboten. Wenn Time Magazine aufgeregt schreibt, dass Wissenschaftler aus aller Welt jetzt aus diesem Anlass Einstein und die Grundlagen der Physik überdenken, dann ist das schlicht Unfug. Ich bin ziemlich sicher, dass derzeit nicht nennenswert mehr Wissenschaftler über Alternativen zur Speziellen Relativitätstheorie nachdenken als vorher. Den Motivationsschub werden beim jetzigen Stand vor allem jene bekommen haben, die sowieso schon Gründe dafür sahen, sich mit solchen Alternativen zu beschäftigen.
Stattdessen dürften sich jetzt viele Wissenschaftler darüber Gedanken machen, wie und was die CERN-Forscher da eigentlich gemessen haben. BBC News hat da, nicht überraschend, eine realistischere Einschätzung. Die Kollegen vom CERN sind jedenfalls nicht in die Falle getappt, ihre Ergebnisse jetzt schon als physikalische Revolution zu präsentieren, sondern sie machen es genau richtig: "Wir haben etwas merkwürdiges gemessen, wir haben alles, was uns an möglichen Fehlerquellen einfiel, so gut wir konnten überprüft; liebe Kollegen: bitte helft uns, herauszufinden, was da eigentlich los ist." Das war der Tenor der Äußerungen der Gruppe, und den ersten Ansatzpunkt für ihre Kollegen haben sie gestern in Form eines E-Prints, also eines noch nicht in der qualitätsgeprüften Fachliteratur veröffentlichten elektronischen Artikels, öffentlich gemacht. Zugriff auf die Daten, wenn schon nicht für alle, dann zumindest für einige Wissenschaftler außerhalb der Kollaboration dürfte folgen.
Dann man los - irgendwo muss die Diskrepanz ja stecken. Beim letzten ähnlich gelagerten Fall, der Pioneer-Anomalie, war die Auflösung zumindest keine physikalische Revolution. Seit den 1980er Jahren hatte es so ausgesehen, als ob die Raumsonden Pioneer 10 und 11 (gestartet 1972 bzw. 1973, schöne Bilder und Daten v.a. von Jupiter, Saturn) etwas anders durch das Sonnensystem drifteten, als den gängigen physikalischen Theorien nach zu erwarten. Dort war dann, nachdem eine erste Runde von Prüfungen keine herkömmliche Erklärung gefunden hatte (ausströmendes Gas, thermische Abstrahlung, was eine Sonde eben so machen kann) tatsächlich der Fall eingetreten, dass eine Reihe von Wissenschaftlern begann, sich aus diesem Anlass tatsächlich Gedanken über Alternativen zur herkömmlichen Gravitationstheorie, Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, zu machen. Aber 2011 fanden einige Forscher dann doch eine überzeugende Lösung, die die Grundlagen der Physik unangetastet ließ (vgl. hier und hier): Die ursprünglichen Erklärungsversuche hatten die Wärmestrahlung (Quelle vor allem: die Radionuklidbatterie an Bord) nicht realistisch genug modelliert; ging man genauer vor, verflüchtigte sich die Anomalie (vgl. diesen Blogbeitrag von Michael Khan).
Insofern: So spannend es wäre, wenn dies der Anfang eines Neuarrangements der Grundlagen der Teilchenphysik wäre (immer mit der Hoffnung, dass das Ergebnis schöner ist als das derzeitige Standardmodell): Weit wahrscheinlicher ist im jetzigen Stadium irgendein vergleichsweise banaler technischer Fallstrick. Irgendetwas bei den Triggern und Timern, die verwendet werden, um Erzeugung und Nachweis einen Zeitpunkt zuzuordnen; bei der Auswertungssoftware; bei der Verbindung zum GPS-System; bei der Vermessung der Entfernung von Erzeugungs- und Nachweispunkt; bei der Statistik, mit der die erzeugten und gemessenen Ergebnisse einander zugeordnet werden und die Flugzeit berechnet wird.
Entweder geht die Aufklärung vergleichsweise schnell, oder wir haben über die nächsten Jahre hinweg eine "CERN-Neutrino-Anomalie". Bleibt die Anomalie lange genug bestehen, wird es weitere Experimente auch anderer Forschungsgruppen geben (am Fermilab in Chicago und in Japan gäbe es entsprechendes Gerät). Spätestens falls dann noch andere Gruppen ungefähr das Gleiche messen sollten, dürften sich in der Tat viele Theoretiker der Frage zuwenden, wie man die Grundstruktur unserer teilchenphysikalischen Theorien an die neue Datenlage anpassen kann. Oder eben es läuft wie bei der Pioneer-Anomalie - Jahre an Forschung, viele theoretische Ansätze und keiner davon der Durchbruch, und 30 Jahre später kommt die Forschergruppe, die doch noch eine einfache technische Erklärung findet.
Neue Physik wäre jedenfalls die spannendste Entwicklung; eine Erweiterung dessen, was wir wissen, oder ein ganz neuer Blickwinkel, der zeigt, warum die jetzigen Teilchentheorien (samt ihrer Grundlage, der Speziellen Relativitätstheorie) von vielen hochgenauen Experimenten so gut bestätigt werden, während hochenergetische Neutrinos etwas ganz anderes machen. Meine Daumen sind gedrückt, aber ich bin ziemlich pessimistisch. Schaun mer mal, wie es weitergeht.
Update 23. Februar 2012:
Ein Problem bei der Kabelverbindung zum GPS und ein defekter Taktgeber sind als mögliche Fehlerquellen im Gespräch.
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Mal wieder viel Rauch um nichts, nur Aktionismus und Politik.
Ich zitiere hier mal den letzten Absatz eines Artikels eines Verfassers, der 1915 in der Zeitschrift: "Die Kultur der Gegenwart" auf Seiten 703–713 bezüglich der Relativitätstheorie erschienen ist.
Zitat:
"Der Verfasser dieser Zeilen ist aber der Ansicht, dass die Relativitätstheorie noch einer Verallgemeinerung bedarf, in dem Sinne, dass das Prinzip von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit fallen zu lassen ist. Nach dieser Meinung ist jenes Prinzip nur für Gebiete von praktisch konstantem Gravitationspotential aufrecht zu erhalten. Die Zukunft muss lehren, ob diese in der Hauptsache auf erkenntnistheoretische Gründe sich stützende Ansicht sich bewähren wird."
Hallo,
Dieser Abriss der Vorereignisse und aktuellen Geschehnisse ist hervorragend!
Ich wuenschte, ein solches recherchetechnisches und sprachliches Niveau waere bei den Tagesmedien gegeben: Wir wuerden in einer weitaus besseren Welt leben! ;(
Bye, Marc
Neutrinos sind immer wieder für eine Überraschung gut. Möglicherweise sind sie ja auch ihre eigenen Antiteilchen, eine Vermutung, der das GERDA-Experiment nachgeht.
Aber allein schon Neutrinooszillationen sind ein wichtiges Fenster in die
Physik jenseits des Standartmodells.
Praktisch wären hochgradig kollineare Neutrinostrahlen, wie sie von Neutrinofabriken erzeugt werden. Dabei nutzt man den Myonenzerfall auf dem geraden Teil eines Speicherrings aus. In 100 m Abstand sollen so mehr als 1 Million mehr Neutrinos zur experimentellen Verfügung stehen als mit bisherigen Quellen.
Vielleicht kommt das seltsame Ergebnis mit den überlichtschnellen Neutrinos den Neutrinoforschern ja gelegen. Antonio Ereditato vom Opera-Experiment meint jedenfalls "Meine erste Reaktion: Neutrinos verblüffen uns noch immer mit Geheimnissen."
Mit dem Design von Neutrino-Fabriken beschäftigt sich jedenfalls auch das CERN (neben Forschungsgruppen in den USA und in Japan).
Naja, gaaaanz so einfach ist es (außerhalb der Blogkommentarosphäre) dann doch nicht. Aber, wie auch geschrieben: bevor man schaut, welche Änderungen nötig sind, um die Ergebnisse mit dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik, zu bringen (das ja auch umfangreich erfolgreich getestet wurde; das macht es so schwierig), ist erst einmal genaue Prüfung angesagt.
Eine Frage drängt sich hier bei mir auf.
(a) waren die Neutrinos bei ihrer Erzeugung langsamer als das Licht und wurden dann auf Überlichtgeschwindigkeit beschleunigt?
(b) waren sie schon bei ihrer Geburt schneller als das Licht?
(c) das Ganze beruht auf einem Messfehler?
Fall (a) geht ja nach der SRT gar nicht und zwar deswegen, weil unendlich viel Energie für die Beschleunigung notwendig wäre, das kann man anhand dieser Formel zeigen (b=wurzel(1-v²/c²))
E=m*c²*(1/b-1)
Und jetzt kommt eine schöne Matheaufgabe für die Mittelstufe! Weise nach dass man obige Gleichung in folgende Form überführen kann.
E=m*v²/(b²+b)
Da haben wir also unter dem Bruchstrich 2 Summanden, die sich bei unseren alltägliche Schneckentempi zu 2 ergänzen, führt man die Teilchen allerdings an c heran, dann haben wir unterm Strich die 0 und damit unendlich viel Energie, die natürlich kein Teilchenbeschleuniger des Universums liefern kann!
Herrn Ruef kann ich nur voll zustimmen. Und Sie schaffen es einen fesselnden Bericht aus diesem für Laien eigentlich schwierigen Thema zu machen.
Wenn ich lese in welchen Extrembereichen noch mit hoher Messgenauigkeit gearbeitet wird, und versuche mir die technischen Apparaturen dazu vorzustellen, soweit meine Phantasie die Bilder aus Netz und anderen Medien integrieren kann, verbleibe ich mit großen Augen und offenem Mund.
Jeder weiß wie schwierig es ist, alle Fehlerquellen auch bei recht einfachen Prozessen zu berücksichtigen. Skepsis versteht sich von selbst. Aber es ist einfach phantastisch was schon geht.
Markus Pössel schrieb (23. September 2011, 23:50):
> [...] die Nachricht, die Forscher hätten die mittlere Flugzeit der Neutrinos gemessen
... die mittlere Dauer von Elementen des Versuchsaufbaus (SPS, Gran-Sasso-Laboratorium) während der sie jeweils ein Neutrino untereinander austauschten;
nicht die mittlere Dauer jeweils eines Neutrinos von Erzeugung/Abflug am SPS bis Ankunft/Wechselwirkung im Gran-Sasso-Laboratorium ...
> und wären auf einen Wert gekommen, der einige hundertstel Promille über der Lichtgeschwindigkeit liegt.
Werte von "Flugzeit" bzw. "Dauer" und Werte von "Geschwindigkeit" sind nicht kommensurat ...
(Die Forscher haben auch den Abstand zwischen den betreffenden Elementen des Versuchsaufbaus abgeschätzt, den Quotienten aus diesem Abstands-Schätzwert und der gemessenen Austauschdauer errechnet, und sind erst so auf einen Wert gekommen, der einige hundertstel Promille über der Lichtgeschwindigkeit liegt.)
> Stattdessen dürften sich jetzt viele Wissenschaftler darüber Gedanken machen, wie und was die CERN-Forscher da eigentlich gemessen haben.
Hoffentlich nicht nur darüber, wie und was die CERN-Forscher da eigentlich gemessen haben;
sondern auch darüber, was jene gemessen haben (wollen), die meinen, dass "die [...] Spezielle[] Relativitätstheorie von vielen hochgenauen Experimenten so gut bestätigt" oder ggf. auch widerlegt werden könnte,
statt sie als Grundlage insbesondere für die Beurteilung der "(Hoch-)Genauigkeit" von Experimenten zu benutzen und vorauszusetzen.
Ein sehr spannender Artikel und wie schon RD bemerkte:
"Wenn ich lese in welchen Extrembereichen noch mit hoher Messgenauigkeit gearbeitet wird, und versuche mir die technischen Apparaturen dazu vorzustellen, soweit meine Phantasie die Bilder aus Netz und anderen Medien integrieren kann, verbleibe ich mit großen Augen und offenem Mund."
Ich bin gespannt, ob sich das Ganze schnell in Schall und Rauch aufloest oder wir uns noch eine Weile mit der "CERN-Neutrino-Anomalie" beschaeftigen werden.
wenn die da nun wirklich irgendwas revulotinärem auf der spur sind, geht es doch genau darum, dass die spezielle relativitätstheorie für die neutrinos nicht zwingend gelten muss. erscheint mir irgendwie schwer, das denn irgendwie in ne argumentation dagegen einzubringen. oder? :) ich hab halt auch keine ahnung :D
...auf Ars Technica, mit einigen Informationen zu dem per Web live übertragenen Seminar der CERN-Wissenschaftler.
Kann da Marc (u.a.) nur zustimmen.
Auf diesem Niveau wünscht man sich das in der Süddeutschen etc auch mal.
Vielen Dank Markus.
Ps. Das nichts schneller sein kann als Licht, habe ich noch nie geglaubt, aber ich denke doch wohl, dass sich irgendwann ein Messfehler herausstellen wird.
Schaun mer mal.
Ich weise auf diesen interessanten Artikel hin:
http://arxiv.org/abs/astro-ph/9505117v1
Darin wird aufgezeigt, dass die Minkowski-Geometrie von Teilchenbewegungen (= relativistisches Verhalten wie Lorentz-Invarianz) sich nicht nur als Eigenschaft der Raum-Zeit interpretieren lässt, sondern auch als Bestandteil der Bewegungsgleichungen für Teilchen. Teilchen mit abweichenden Bewegungsgleichungen könnten sich im gleichen Raum-Zeit-Rahmen aufhalten, sich aber in einem anderen Minkowski-Rahmen bewegen (z.B. mit einer von c unterschiedlichen Grenzgeschwindigkeit). Diese Teilchen wären KEINE Tachyonen, hätte "normale" (positive) Masse und könnten sich auch langsamer als c bewegen (aber eben auch schneller). Einstein bleibt auf dem Sockel, aber wir hätten zwei Minkowski-Rahmen.
Natürlich ist das alles hypothetisch. Natürlich können die OPERA-Ergebnisse auch Messfehler sein. Das muss geprüft werden. Aber ich wäre sehr vorsichtig, die OPERA-Ergebnisse allein aus theoretischen Erwägungen abzutun.
Vielen Dank für die positive Rückmeldung! Freut mich sehr!
Das wäre, wenn sich die Neutrino-Anomalie bestätigt, vielleicht eine mögliche Richtung. Ich habe in dem Preprint jetzt nichts nachgerechnet, aber auf den ersten Blick wäre das ein Beispiel für einen neuen Blickwinkel wie im letzten Absatz angedeutet.
Eine Korrektur meinerseits aber dann doch noch: Es geht ja nicht "nur" um theoretische Überlegungen, sondern auch um die erwähnten Supernova-Messungen an Neutrinos. Dafür, dass Neutrinos je nach Energie von einer der kritischen Geschwindigkeiten zur anderen springen könnten, finde ich auch in dem erwähnten Preprint keinen Anhaltspunkt – aber, wie gesagt, ich denke, dass es für solche Überlegungen noch deutlich zu früh ist. Schauen wir erst einmal, ob alle Bausteine der CERN-Messungen der kritischen Nachprüfung standhalten.
Superluminale Teilchen, die keine Tachyonen sind sondern sich mit positiver Masse aber in einem abweichenden Minkowski-Rahmen mit einer anderen Grenzgeschwindigkeit (>c) bewegen, würden bei Bewegung im Vakuum Tscherenkow-Strahlung abgegeben und durch den Energieverlust abbremsen. Bei kurzen Strecken (wie z.B. die 730km vom CERN zu OPERA) mag dies keine Rolle spielen, bei langen Strecken (wie z.B. die 160.000 Lichtjahre von 1987N) dürfte dies aber erheblich sein. Vielleicht ist es daher ein Kurzstrecken-Phänomen.
Aber hinsichtlich der Daten von OPERA haben Sie natürlich völlig Recht: Wir müssen jetzt abwarten. Wenn sich kein systematischer Fehler finden lässt, muss das Experiment andernorts von einem anderen Team nachgebaut werden. Das kann Jahre dauern. Immerhin: es tut sich etwas Spannendes!
Zur Tscherenkow-Strahlung: Neutrinos sind ja nun elektrisch neutral; insofern bekommt man da keine richtige elektromagnetische Tscherenkow-Strahlung.
Zum Nachbau der Experimente: Es gibt ja sowohl beim Fermilab MINOS und T2K am KEK schon entsprechende Experimente; da müsste wohl allenfalls die Zeiterfassung hinreichend präzise gemacht werden und die Entfernung zwischen Target und Detektor genau genug bestimmt werden. Und, richtig, wahrscheinlich Monate bis Jahre Ereignisse gemessen werden.
Relativistische Distanzbestimmung ist eine heikle Angelegenheit. Speziell dann, wenn die zu messende Strecke innerhalb Erdkruste verläuft, wo keine direkte Messung möglich ist. Dass dessen ungeachtet die Baseline Länge bis auf +/-20cm exakt ermittelt worden sein soll, das ist dann doch schon irgendwie suspekt.
Aus der OPERA Dokumentation wird aber nicht einmal klar, ob die Baseline Länge überhaupt eine relativistische Distanz ist.
http://operaweb.lngs.infn.it/...cnotes/note132.pdf
Das sieht erst einmal verdächtig danach aus, dass hier tatsächlich nur eine geodätische Koordinatendistanz angegeben wird. Wenn dem so ist, dann sind die +/-20cm allerdings glaubhaft. Aber es wäre eine Pseudo-Distanz, die unbedingt noch relativistisch korrigiert werden müsste -- und zwar nach unten. Und dazu habe ich leider keine Angaben gefunden... habe ich da etwas übersehen?
Sie haben Recht. Echte Tscherenkow-Strahlung kann es nicht geben. Der o.g. Artikel beschreibt allerdings die Emission "tscherenkow-ähnlicher" Strahlung in Form von unterlichtschnellen Teilchen. Auch dadurch würde ein Energieverlust (und Geschwindigkeitsverlust) eintreten. Ich hätte Anführungszeichen setzen müssen.
(Natürlich alles hochspekulativ. Ebenso wie Tachyonen. Ebenso wie die Daten des OPERA-Experimentes... Aber denkbar und bedenkenswert.)
Die Abweichung ist ja nur sehr klein. Die die Lichtgeschwindigkeit ist ja nur eine empirisch ermittelte Konstante. Ist es nicht auch möglich, dass die absolute Maximalgeschwindigkeit etwas größer ist, als wir hier unter unseren Bedingungen gemessen haben und es Effekte gibt die das hier gemessene Licht verzögern? Vielleicht sind die Neutrinos nur näher dran.
Ich hab's jetzt nicht durchgerechnet, aber auf den ersten Blick scheint es mir nicht so, als könnten sich da Korrekturen in der gemessenen Größenordnungen ergeben. Ich kann ja z.B. beim CERN im Moment der Neutrinoerzeugung ein frei fallendes Inertialsystem einführen; das ist in den 2 Mikrosekunden, nach denen die Neutrinos im Gran Sasso Lab ankommen, gerade einmal 30 Mikrometer oder so gefallen. Und in diesem Inertialsystem gilt laut Äquivalenzprinzip in guter Näherung die Spezielle Relativitätstheorie; dass da relativistische Korrekturen von 20 cm o.ä. dazu kommen könnten, sehe ich aus diesem Grunde nicht.
In einem Artikel auf "The Reference Frame" (Blog eines tschechischen Stringtheoretikers) werden verschiedene Fehlerursachen beschrieben, die den Neutrino-Vorsprung von 60 Nanosekunden bzw. 18 Metern wegerklären könnten. Z.B. sind im GPS möglicherweise Fehler enthalten, die vielleicht bisher nur von niemandem bemerkt wurden.
http://motls.blogspot.com/...n-opera-research.html
In einem weiteren Artikel spekuliert er übrigens, wie die Ergebnisse (falls sie wider erwarten doch keine Messfehler sind) von der Stringtheorie erklärt werden könnten.
http://motls.blogspot.com/...l-neutrinos-from.html
Das dürften aber wohl nur Stringtheorie-Fachleute verstehen...
Was Lubos Motl da zum GPS schreibt, finde ich nicht überzeugend. So wie ich Geometer kenne, werden die seit der Einführung von GPS sehr genau geprüft haben, dass GPS und herkömmliche Vermessung z.B. mit Hilfe von Triangulation übereinstimmen. Und Distanzen von 730 oder so km konnte man ja auch vor GPS schon sehr präzise vermessen! Dass da 18 Meter einfach so verlorengehen, halte ich für sehr unwahrscheinlich.
Dass man auch die Distanzmessung nachprüfen sollte, möglichst mit Gegenproben, steht außer Frage. Mein Bauchgefühl (das in Experimentalphysik aber nicht allzu erfahren ist) geht in Richtung (a) Fehlerquellen bei den diversen elektronischen Bauteilen, (b) Behandlung der systematischen Fehler (sind die wirklich alle symmetrisch?) und (c) Zuordnungsverfahren von den erzeugten zu den nachgewiesenen Neutrinos (wieder inklusive Behandlung der Ortsunsicherheit).
Chrys schrieb (25.09.2011, 11:41):
> http://operaweb.lngs.infn.it/...cnotes/note132.pdf
Prima Recherche!
.Besonders bequem und bemerkenswert finde ich dort die
In diesem Zusammenhang:
wie groß ist eigentlich der (nominelle) Höhenunterschied (z.B. "über NN") zwischen "LNGS" und "CERN"?
Wie genau ist die (ohne viel Aufwand zu erhaltende) Abschätzung
"980 m - 422 m"? ...
> Pseudo-Distanz, die unbedingt noch relativistisch korrigiert werden müsste [...]
Da "LNGS" und "CERN" (sicherlich) gar nicht zueinander ruhten, sondern (bestenfalls) zueinander starr waren, ist eine SRT-gemäße, bilateral einvernehmliche Distanzbewertung sowie gar nicht strikt anwendbar.
Die unmittelbaren und jedenfalls nachvollziehbar definierten (aber eben experimentell nicht aus unmittelbaren Beobachtungen zu gewinnenden) Messgrößen wären allenfalls:
- die (kürzeste) Pingdauer des CERN (zu LNGS, und zurück),
- die (kürzeste) Pingdauer des LNGS (zu CERN, und zurück), sowie
- die Dauer des CERN von der Anzeige einer "extraction" bis zur Anzeige der (ersten) Wahrnehmung der entsprechenden "interaction" mit LNGS, und
- die Dauer des LNGS von einer bestimmten Signalanzeige bis zur "interaction"-Anzeige für Neutrinos, deren "extraction" CERN koinzident mit dem Signal wahrnahm.
Diese ca. 30 Micrometer, das wäre jetzt ein Argument dafür, warum es kein nennenswerter Fehler ist, die Baseline als einen Geradenabschnitt anzusehen. Da stimme ich zu, das habe ich aber auch nicht gemeint.
Gemeint war tatsächlich, dass hier nicht relativistisch mit einer "ping distance" ("radar distance", if you prefer) gerechnet wurde. Was man mit diesem ETRF2000 Web Interface als Entfernung erhält, ist jedenfalls keine "ping distance", sondern nur ein Koordinatenabstand. Eine Abschätzung für die daraus resultierende Differenz wird nirgends präsentiert.
Kann sein, dass diese Differenz sich als unerheblich erweist, ich kann das so nicht abschätzen. Aber es ist alles andere als selbstverständlich, dass man hier stillschweigend die Geometrie auswechseln darf, da braucht es eine solide Begründung. Eine solche sehe ich nicht, was auch mein Fehler sein kann. Andernfalls wäre die OPERA Entfernungsbestimmung aber allemal eine Schwachstelle, wo man vorzüglich die Axt anlegen kann.
Signifikante Fehler im GPS oder im gedodätischen Referenzmodell sind eher recht unwahrscheinlich. Da hat es schlicht zu viele Anwender, um nicht anderweitig ebenfalls aufzufallen.
Chrys schrieb (26.09.2011, 10:25):
> Signifikante Fehler im GPS oder im gedodätischen Referenzmodell sind eher recht unwahrscheinlich. Da hat es schlicht zu viele Anwender, um nicht anderweitig ebenfalls aufzufallen.
Anwender mit Sensitivität "(Δ Pingdauer) / Pingdauer" im ppm Bereich ?
Unterm Mont Blanc ??
(Na gut: vorstellbarer Weise eben "drumherum"; unter Berücksichtigung bzw. Annahme der passenden Cayley-Menger-Determinanten ...)
Guten Tag,
seit dem ich mich sehr intensiv mit der Quantenmechanik und im Besonderen mit der QFT beschäftige, hielt ich es nicht mehr für unvorstellbar, dass C überschritten werden kann. Der Meinung wäre ich auch dann noch, wenn sich die Messung des N als Fehler herausstellen würde.
Wenn man es genau durchdenkt kommt man zu dem Schluss, dass C eigentlich keine unabhängige Eigengeschwindigkeit ist. Eine Pistolenkugelgeschwindigkeit ist z. B. vom Luftwiederstand, der Gravitation u. s. w. abhängig.
Ein Photon ist jedoch nichts Anderes, als eine Energiewirkung, welche durch einen auslösenden Impuls seine Existent begann und im Vakuum in Abhängigkeit von den durch Vakuumfeldfluktuationen entstehenden virtuellen Elektron-Positronpaaren steht. Man könnte nun im Kehrwert der Formel herleiten, dass die Entstehungsgeschwindigkeit der Elektron-Positronpaare und der vorausgegangene Impuls zur Entstehung der Elektromagnetischen Welle die wesentlichen Faktoren für C sind. Andere Parameter wie z. B. Ladung und Impuls könnten bezüglich der Vakuumpolarisation auch maßgebend für höhere Geschwindigkeiten sein. Wenn ein anderer Impuls u. s. w. das Quantenfeld nun anders beeinflussen würde, wäre auch eine Geschwindigkeit über C vorstellbar und C wäre somit niemals die höchste mögliche Geschwindigkeit für eine Informationsübertragung gewesen. Sie wäre es nur für jene elektromagnetischen Wellen gewesen, die diesen Impuls haben und somit das Quantenfeld entsprechend zur Erzeugung der Paarbildung stimulieren.
Es würde dann auch nicht mehr das Problem der unendlichen Masse existieren, da sich die Formel entsprechend verändern würde.
Wir hätten in diesem Fall bislang nur elektromagnetische Wellen gefunden, welche die bis vor kurzen schnellste Geschwindigkeit C zeigten. Leider wäre die ART dann falsch, da C keine Naturkonstante mehr an für sich wäre, sondern lediglich für elektromagnetische Wellen. Licht könnte zwar weiterhin auch niemals Licht überholen, doch man müsste davon ausgehen, dass das Quantenfeld gewisse Impulsausgangsfrequenzen und die Bildung der Virtuellen - Teilchenpaare entsprechenden Einfluss auf Geschwindigkeiten haben, wenn genannte Parameter diese begünstigen. Somit könnten andere Erscheinungsformen das Quantenfeld günstiger beeinflussen, als es elektromagnetische Wellen tun. Das eröffnet für die Forschung immense Fenster! Auf der Ebene von Geschwindigkeiten bezüglich ruhemasselosen oder ruhemassebesitzenden Teichen/Wellen würde man gewiss auch einer vereinheitlichten Formel bezüglich Quantenmechanik u. s. w. und den Aussagen der ART näher kommen. Doch das sollen die richtig schlauen Leute machen, ich mach mir jetzt Pfannenkuchen.
Netter Gruß
Saskia-Nene
Aber 18 Meter Abweichung bei einer simplen GPS Positionsbestimmung -- das würde schwerlich sehr lange verborgen bleiben können. Auch wenn nicht alle Anwender hochsensibel sind.
Im OPERA Normalbetrieb wird GPS offenbar zur UTC-Synchronisierung der beiden lokalen Atomuhren eingesetzt. Auch da kann eigentlich nicht viel schiefgehen, ohne dass es rasch auffällt. An GPS liegt's höchstwahrscheinlich nicht.
Chrys schrieb (26.09.2011, 13:58):
> Aber [...]
Zugegeben: meine Skepsis ist nicht zuletzt eine Ausgeburt meiner gepflegten Naivität.
(Irgend jemand sollte die angemessene Naivität doch hoffentlich aufbringen -- dort, wo sie sich eventuell auszeichnen kann? ...)
Haste denn schon mal den "Höhenunterschied zwischen LNGS und CERN" überschlagen, unter Verwendung der Angaben in "Table 6"? ...
Na klar, der Höhenunterschied CERN/LNGS erfordert einige Vorkehrungen zur Time Of Flight Messung -- die Synchronität der Uhren muss gegeben sein. Dieses Problem soll ja durch die GPS UTC-Synchronisierung erschlagen werden, und wenn das ordentlich gemacht wird... aber keine Dummheit ist zu abwegig, um nicht irgendwann von irgend jemandem begangen zu werden.
Beim aktuellen Stand der Dinge sehe ich jedenfalls absolut keinen Anlass, hysterisch zu werden oder gar die GR in Zweifel zu ziehen.
Danke für diesen Artikel!
So einen findet man eher selten:
1. Alles verständlich
2. Unterhaltsam
3. Keine Marktschreierei
4. Physikalisch korrekt
Ich fühle mich gut informiert
Chrys schrieb (26.09.2011, 18:53):
> Na klar, der Höhenunterschied CERN/LNGS erfordert einige Vorkehrungen zur Time of Flight Messung
Das auch, na sicher.
Mir geht's aber (so weit sich das überhaupt zumindest gedanklich trennen lässt) ganz konkret um "die berühmten 20 Meter".
Und dabei scheint der Höhenunterschied schlicht wichtig und interessant zu sein, denn (z.B.):
Sqrt[ 730^2 + 0.5^2 - 2 * Cos[ Pi/2 + Pi * 730 / 40000 ] * 730 * 0.5 ] = 730.029
.
Und wenn ich nun anhand von "Table 6" aus http://operaweb.lngs.infn.it/...cnotes/note132.pdf mal sehr naiv und überschlägig rechne
6370000 - Sqrt[ (6370000 - 42378.794)^2 + 729297.439^2 + 3177.974^2 ]
= 488.639,
und andererseits lese
sowie (z.B.)http://it.wikipedia.org/...azionali_del_Gran_Sasso
http://de.wikipedia.org/wiki/Meyrin
,
... sollte man wohl eher
6380000 - Sqrt[ (6380000 - 42378.794)^2 + 729297.439^2 + 3177.974^2 ]
= 554.303
rechnen (?) ...
> absolut keinen Anlass [...] die GR in Zweifel zu ziehen.
Eben; und gerade deshalb allen Grund, jene anzuzweifeln, die mit Koordinaten hantieren (oder gar mit Koordinaten zu argumentieren versuchen), anstatt mit Pingdauern.
Dem stimme ich voll und ganz zu, "[...] und gerade deshalb allen Grund, jene anzuzweifeln, die mit Koordinaten hantieren (oder gar mit Koordinaten zu argumentieren versuchen), anstatt mit Pingdauern."
Nach meinem Eindruck, leider nur wenige Autoren behandeln die Problematik der Distanzmessung so klar und akzentuiert, dass es in den Köpfen überhaupt ankommt und etwas davon hängenbleibt. Als rühmliche Ausnahmen fallen mir dabei John Synge und George Ellis ein.
Synges Relativity Books dürften heutzutage fast ausschliesslich als Staubfänger in Bibliotheken dienen. Das halte ich für sehr bedauerlich.
Eine Sammlung von populärwissenschaftlichen Artikeln über Neutrinos findet sich
hier unter dem Titel Neutrinos: Complete guide to the ghostly particle
mit den Aritkeln:
- Dimension-hop may allow neutrinos to cheat light speed
- Faster-than-light neutrino claim bolstered
- Neutrinos caught 'shape shifting' in new way
- Sterile neutrino back from the dead
- Indian neutrino lab to boast world's biggest magnet
- Anti-neutrino's odd behaviour points to new physics
- First 'chameleon particle' spotted after changing type
- Neutrinos: The key to a theory of everything
- At last, a way to test time travel
120 wissenschaftliche Artikel zu Opera und speziell zu den behaupteten superluminalen Neutrinos finden sich auf dem Arxiv-Server.
Man findet alle möglichen Erklärungsansätze, von statistischen Fehlern bis zur Physik von schwarzen Löchern und ihre Verallgemeinerung auf die normale Raum/Zeitphysik
Neutrino Shortcuts in Spacetime
Relativistic Superluminal Neutrinos (Erklärung mit einem Skalarfeld in der Erde)
Schön wie hier Wissenschaft und Science-Fiction zusammenfinden.
Hallo,
sehr sehr guter Artikel!
Ich bin zwar physikalisch nicht ganz unbeleckt, aber wenn es so tief in die Materie geht, erfreue ich mich auch, wenn ein Mann vom Fach dieses komplexe Thema leienhaft darstellt.
MfG
Mario
die ich ja nur sehr kurz erwähne, hat Bloggerkollege Joachim Schulz gerade noch hier einen informativen Beitrag gepostet.
Die Arbeit The OPERA neutrino velocity result and the synchronisation of clocks dürfte vielleicht einige Kommentatoren hier interessieren. Sie behauptet, die Neutrino-Geschwindigkeitsbestimmung im OPERA-Experiment (CNGS) habe nicht berücksichtigt, dass das Experiment - senden von Neutrinos vom CERN zum LNGS - nicht in einem Inertialsystem stattfand: Nur ein reflektiertes Signal wäre immun gegen den Einfluss der Erdrotation. Vor allem der Kommentator Chrys hat sich in eine ähnliche Richtung geäussert, wobei er aber fälschlicherweise annahm, die Varianz des Gravitationsfelds in der Verbindungslinie CERN - Gran Sasso spiele eine entscheidende Rolle.
Nö.
http://www.scienceblogs.de/...e-physik-am-ende.php
Benutzt man ein falschen Radiuswert für die Erde, ändert sich an der Präzision nichts. Man bekommt immer noch die korrekte Koordinate, nur leider zu tief.
Frank Wappler hat ja schon bereits Kritik an der Höhenmessung geäußert. Obwohl das nicht ganz so einfach ist, würde ich tatsächlich die Höhenwerte überprüfen.
The relativistic motion of clocks on board GPS satellites exactly accounts for the superluminal effect, nach http://www.technologyreview.com/...27260/?p1=blogs
Interessant ist schon, dass R.A.J. van Elburg in seiner Rechnung ziemlich genau auf die obskuren 60 ns kommt. Allerdings schreibt er da (http://arxiv.org/abs/1110.2685, p.3):
Nun, nach dem OPERA Preprint sind die fraglichen Uhren erdfest. Und GPS kommt nur zum Einsatz, um diese Uhren auf die gemeinsame Zeitskala UTC zu synchronisieren, die Time Of Flight wird demnach stets in UTC-Sekunden ausgedrückt.
Eine solche UTC-Synchronisierung mittels GPS ist doch eigentlich eine Standardaufgabe. Dass dabei die Schweizer (METAS) wie die Deutschen (PTB) unabhängig voneinander praktisch denselben amateurhaften Bug produziert haben sollten, das wäre dann äusserst befremdlich.
Ob die Neutrinos schneller sind als Licht oder nicht ist eigentlich nicht die wichtigste Frage. Viel wichtiger ist zu beweisen dass sie tatsächlich gibt.
Ist nämlich nicht der Fall dann ist die ganze Teilchenphysik Schrott. Die so angeblich Wissen liebenden Physiker haben mit dem Experiment OPERA jetzt die Möglichkeit zu beweisen, dass ihre Thesen wirklich stimmen und zwar unabhängig von der Suche nach Higgs-Boson.
Man sollte in Cern die Myonen im OPERA genauso erzeugen, aber die Orientierung so verändern dass die angeblichen Neutrinos nicht Richtung Gran Sasso fliegen können.
Den Rest des Experiments soll genauso laufen wie vorher.
Ich bin sicher dass man trotz nicht Vorhandenen Neutrinos im Detektor genauso die Ausschläge mit der gleichen Zeitunterschied messen würde.
Ich bezweifle aber dass die Physiker dazu Mut haben. Bis jetzt haben die mit Erfolg vermieden ihre Theorien ernsthaft zu Testen.
Würden sich die Physiker weigern dieser ultimativen Test durchzuführen, werden sie damit eindeutig zugeben, dass ihre Physik ein Fake ist.
der Effekt der Zeitdilitation wurde schon bedacht? Die Neutrinos bewegten sich durch das Erdinnere, die Forschungslabore waren weiter vom Erdinneren entfernt. Die Zeit läuft in den unterschiedlich schnellen Systemen nicht gleich ab, spätestens beim Zusammentreffen ist ein Zeitunterschied feststellbar.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts hängt vom Medium ab. Kann es sein, daß wir das, was wir für Vakuum halten, nicht ganz frei
von Materie ist, z.B. dunkler Materie. Neutrinos wechselwirken vielleicht mit dieser Form von Materie seltener als Photonen.
Seit 1925 (Michelson/Gale)ist bekannt, dass die Lichtgeschwindigkeit auf der Erde aufgrund des Sagnac-Effekts anisotrop ist (Michelson/Gale). Die Neutrino-Experimente fanden auf der Erde statt, wo man gar nicht erwarten konnte, dass die SRT mit dem Postulat c=const gilt. Insofern muss die Aufregung um das Neutrino-Experiment äußerst verwundern.
Auf Anfrage hat mir Prof. Ereditato mitgeteilt, dass die ca. 170 Autoren des OPERA-Reports den Sagnac-Effekt bei der Datenauswertung nicht berücksichtigt haben. Der Effekt wirkt sich bei der Uhrensynchronisation noch viel stärker aus. Diese Synchronisation wurde von einem Dr. Feldmann im Auftrag der PTB besorgt, von dem nicht bekannt ist, ob er als Einziger an den Sagnac-Effekt gedacht hat. Leider weigert sich die PTB, die Adresse von Dr. Feldmann bekannt zugeben. Dr. Bauch von der PTB behauptet, Dr. Feldmann habe die Regeln der SRT, also c=const verwendet, der Präsident Prof. Göbel behauptet, Dr. Feldmann habe den Sagnac-Effekt berücksichtigt, also c =/= const angenommen. Einer Klärung dieser Fragen geht der Präsident aus dem Weg, indem er sich weigert, künftig e-mails von mir zu beantworten.
Herr Pössel wäre gut beraten, den Sagnac-Effekt in seine Erklärungen zum OPERA-Experiment einzubeziehen. Vielleicht gelingt es ihm, von der PTB zu erfahren, ob man nun c=const entsprechend dem Postulat der SRT angenommen hat, oder ob man berücksichtigt hat, dass das Experiment auf der Erde stattgefunden hat, wo die Lichtgeschwindigkeit in Richtung Ost-West c+v und in Richtung West-Ost c-v ist, wie schon 1925 experimentell verifiziert.
Die jüngste Behauptung, ein "schief" eingeführter Stecker könne zu 60 ns Verzögerung führen, kann unter Experten nur Gelächter auslösen. Sollte das Signal 60 ns in der Steckdose verbummelt haben, weil es den Ausgang nicht fand?
Zitat Dr. Wolfgang Engelhardt: »Diese Synchronisation wurde von einem Dr. Feldmann im Auftrag der PTB besorgt,«
Das stimmt so nicht. Die fragliche GPS Installation war von den Schweizern (METAS) vorgenommen worden, die Deutschen (PTB) hatten lediglich die Funktionalität nachgeprüft und bestätigt.
Bei GPS wird der Sagnac-Effekt routinemässig berücksichtigt. Das ist dokumentiert und lässt sich übrigens auch via google leicht finden.
Haben Ihre "lachenden Experten" denn auch schon eine Erklärung dafür, warum die OPERA Sensationsmessungen bei ICARUS ganz und gar nicht bestätigt werden?
http://press.web.cern.ch/...ases2011/PR19.11E.html
Prof. Ereditato hat mir im Zusammenhang mit Fragen zur Uhrensynchronisation am 31.10.2011 geschrieben:
"Dear Wolfgang,
even if we did not elaborate on that in the paper, this is taken into account in the synchronization procedure. We will be more explicit in the journal publication.
If you wish you could directly ask the PTB about it.
Kind regards,
Antonio"
Dies habe ich mit Hinweis auf Ref. [22] (Verfasser Thorsten Feldmann, PTB) des OPERA-Reports getan und von der PTB unbefriedigende Auskünfte erhalten, wie oben beschrieben. Was Herr Feldmann genau gemacht hat, lässt sich auch "via google" nicht ermitteln.
Vom 21. Oktober bis 6. November gab es offenbar eine neue Kampagne zur Messung der Neutrinogeschwindigkeit, wobei Einzelereignisse registriert werden konnten. OPERA machte etwa 20 Ereignisse dingfest und bestätigte die Ergebnisse, die in den Jahren 2009-2011 mit statistischen Methoden an ca. 15000 nachgewiesenen Neutrinos gewonnen worden waren. Daraufhin wurde das Manuskript an das Journal of High Energy Physics (17 November 2011) zur Veröffentlichung eingereicht.
Im gleichen Zeitraum führte ICARUS Messungen am gleichen Neutrinostrahl durch und machte 7 Neutrino-Ereignisse dingfest. Man kam zu dem Schluss: "The result del t = 0.3 +/- 4.9(stat.) +/- 9.0(syst.) ns is compatible with the simultaneous arrival of all events with speed equal to that of light." Das Erstaunliche ist, dass beide Gruppen die gleiche Prozedur zur Uhrensynchronisation benützten, wie von ICARUS ausdrücklich mit Bezug auf den revidierten OPERA-Report arXiv:1109.4897 betont wird. Hat etwa ein Saboteur immer dann, wenn OPERA am Messen war, am Stecker gewackelt? Und das auch schon die drei Jahre vorher, als OPERA allein am Messen war? Man erträgt nur mit einem gehörigen Maß an Humor die Kapriolen ernsthafter Wissenschaftler, die den Steuerzahler nicht unerhebliche Summen Geld kosten. Gelächter ist vielleicht doch die angemessenste Reaktion.
Und das alles, weil man plötzlich an einer ziemlich verrückten Idee von Woldemar Voigt (http://www.wissenschaftliche-physik.com/...ion.pdf , http://www.wissenschaftliche-physik.com/..._LT.pdf ), die sich für Schall als völlig unzutreffend erwies, die aber einige Physiker (Lorentz, Poincaré, Einstein) bei Licht für denkbar hielten, Zweifel bekam. Im Jahre 1925 war diese Idee schon durch die Michelson-Gale Messungen falsifiziert worden, denn c=const galt offenbar nicht auf der Erde. Man klammerte sich an die Tatsache, dass die Erde doch rotiere, also kein Inertialsystem sei. Ja, das ist richtig. Während das Licht in entgegengesetzten Richtungen das riesige Sagnac-Interferometer umkreiste und zu unterschiedlichen Zeitpunkten am Ausgangspunkt wieder ankam, bewegte sich die Erdoberfläche mit den Interferometerspiegeln tatsächlich um 3 mm! Wegen der Rotation allerdings auf einem Kreisbogen, der um einen hundertstel Atomdurchmesser von der geraden Linie abwich. Schwupps! war der x v/c^2 Term der Lorentz-Transformation wieder verschwunden, die Galilei-Transformation war im beschleunigten Bezugssystem wieder zu ihrem Recht gekommen. Doch im Wolkenkuckucksheim der Inertialsysteme gilt weiterhin die Lorentztransformation, wird mal widerlegt, mal bestätigt. Eigentlich ist das nicht zum Lachen, Herr Chrys.
Was sich beispielsweise recht schnell ergoogeln lässt, ist diese Quelle:
Neil Ashby. The Sagnac effect in the Global Positioning System. In: G. Rizzi and M. L. Ruggiero (eds.) Relativity in Rotating Frames, Kluwer, Amsterdam, 2004 [Draft].
Da heisst es dann:
Und die besagte Section 5 schliesst mit der Feststellung:
Dies deckt sich dann doch auch mit der Auskunft, die Sie von Prof. Ereditato erhalten haben, sofern sich diese auf den Sagnac-Korrekturen bezieht, wovon ich ausgehe. Die Time Of Flight Inkonsistenz zwischen den OPERA und den ICARUS Messungen wird ihre Ursache schwerlich in dem Teil der LNGS Equipments haben, den beide Experimente gemeinsam nutzen. Man sollte also schauen, wo OPERA mit den Zeitsignalen etwas anders macht als ICARUS, aber dafür kann der Sagnac-Effekt doch keine Rolle mehr spielen. Dann eher schon der ominöse Stecker.
Als Außenstehender kann man nicht wissen, welche Kämpfe in den Höhlen tief unter dem Gran Sasso ausgetragen werden. Allerdings empfinde ich es als Skandal, dass sich zwei riesige Teams von hochbezahlten Wissenschaftlern (das kleinere von ca. 70 Personen verfügt sogar über einen Nobel-Preisträger) nicht darauf einigen können, wann Neutrinos, die zu einem bekannten Zeitpunkt in CERN erzeugt werden, unter dem Gran Sasso ankommen. Warum können sich die Herrschaften nicht zusammensetzen, gegenseitig ihre Daten analysieren und anschließend der Öffentlichkeit ein belastbares Messergebnis präsentieren? So wie die Sache jetzt aussieht, haben diese "Forscher" jegliches Vertrauen verspielt und verdienen nicht, dass man ihren politischen Verlautbarungen, die offenbar mit Physik nichts mehr zu tun haben, noch Beachtung schenkt.
Immerhin war für mich eine Bemerkung im ICRUS-Report aufschlussreich, nämlich dass die Standard GPS-Empfänger in CERN und LNGS eine Genauigkeit von nur etwa 100 ns hätten. Um eine Zeitdifferenz dieser Größenordnung geht es gerade! Man hat deshalb genauere Empfänger "Septentrio PolaRx2e" und dazu noch eine Cäsium-Uhr "Symmetricom Cs4000" gekauft, sicher nicht billig das Ganze. Dabei hätte ich mit meinem handlichen Wander-Garmin für ein paar 100 € aushelfen können, das auf 3 m, entsprechend 10 ns genau misst, wie ich selbst im Gebirge auf meinen Wanderungen überprüfen konnte. Man fragt sich, was diese "Experimentatoren", die nicht mal einen Stecker fixieren können, eigentlich wissen und machen.
Das einzig Interessante an diesen "Messungen" liegt darin, dass der verdrängte Widerspruch zwischen Sagnac-Effekt und SRT ans Tageslicht gebracht wird. Vielen Dank, Herr Chrys, für den Ashby Aufsatz, der diesen Widerspruch schön herausarbeitet. Ashby leitet die übliche Sagnac-Formel im nicht rotierenden ECI-System her (1.9) und lässt dann die gegenläufigen Strahlen in diesem System "theoretisch" interferieren, obwohl es da gar kein Interferometer gibt. Die Interferenz erfolgt im rotierenden System, z.B. an Michelson´s Spiegeln. Tatsächlich findet man dort eine Phasendifferenz wie Ashby sie ausrechnet (1.10), aber dies bedeutet, dass man die im ECI-System berechneten Zeitdifferenzen mit Hilfe der Galilei-Transformation t´ = t auf das rotierende System einfach überträgt. Hätte man korrekt mit der Lorentz-Transformation gerechnet, dann wäre natürlich c = const herausgekommen, d.h. im rotierenden System hätte es, im Gegensatz zur Messung, gar keine Zeitdifferenz gegeben.
Bei der Satellitenbeobachtung "in common view" könnte man nun auf die Idee verfallen, die SRT anzuwenden, nach der die Lichtgeschwindigkeit isotrop, unabhängig von der Geschwindigkeit des Senders und auch des Empfängers ist. Dann würde man nach Aussendung eines Signals von einem bekannten Satellitenort aus das gleiche markierte Signal an zwei unterschiedlichen Orten auf der Erde auffangen, die bekannten Abstände zum Satelliten durch c teilen und mit Hilfe der berechneten Zeitdifferenzen die räumlich entfernten Uhren synchronisieren. So scheint es nach Aussage von Dr. Bauch sein Mitarbeiter Dr. Feldmann gemacht zu haben, denn die korrekten Regeln der SRT, also c=const, seien sicher gestellt gewesen.
Nach Aussage des Präsidenten Prof. Göbel, scheint es aber anders gewesen zu sein. Dr. Feldmann habe nämlich den Sagnac-Effekt korrekt berücksichtigt, vermutlich also Ashby´s obige Rechnungen zugrunde gelegt, welche bei der Übertragung der berechneten Zeiten aus dem ECI-System auf das ECEF-System die Galilei- statt der Lorentz-Transformation verwenden. Dann freilich gilt für die Lichtgeschwindigkeit im ECEF-System zwischen Satellit und Bodenstation c+/-v, je nachdem, ob sich die Bodenstation auf den Satelliten zu, oder von ihm wegbewegt. Wie es wirklich gewesen ist, könnten wir nur von Herrn Feldmann selbst erfahren, aber die PTB lässt nicht zu, dass ich mit ihm kommuniziere. Mir ist nicht bekannt, was in dieser eigentlich wissenschaftlichen Frage die PTB zu verbergen hat. Ein wenig schmunzeln muss ich aber schon, wenn der Präsident keine e-mail mehr von mir beantworten will, weil er glaubt, mich mit den widersprüchlichen Aussagen aus seinem Haus hinreichend informiert zu haben. Fehlt es ihm möglicherweise selbst an hinreichender Information?
Hier sind noch die Folien zu einem Vortrag "CERN-LNGS distance computation for the OPERA Project", vom 23. Nov. 2011 [PDF]
Speziell zum Sagnac-Effekt siehe p. 31f.
Kann allerdings nicht behaupten, dass mir damit die Distanzbestimmung in allen Punkten klar wird. Jemand, der sich damit auskennt, sollte das einmal allgemeiner verständlich aufbereiten.
Vielen Dank für die Folien zu diesem Fachvortrag über die Distanzbestimmung zwischen CERN und LNGS. Fast unbesehen kann ich glauben, dass man dabei keine nennenswerten Fehler gemacht hat, wenn mein billiges Wandergerät außerhalb des Tunnels schon auf 3 m genau messen kann. Innerhalb des Tunnels von 10 km Länge konnte man schon vor 100 Jahren Messungen auf wenige cm genau realisieren. Hier dürfte also keine Fehlerquelle die Messung verfälschen. Natürlich ist es bemerkenswert, dass man die Distanz im inertialen ECI-System berechnet und das Ergebnis kritiklos unter Missachtung der Lorentztransformation auf das rotierende ECEF-System mit Hilfe der Galilei-Transformation überträgt. Der Fehler von 66 cm, der auf diese Weise eingebracht werden könnte, ist aber nicht gravierend.
Schlimmer sieht es schon bei der Uhrensynchronisation aus, wo man im rotierenden Erdsystem c=const in Übereinstimmung mit der SRT annehmen könnte, wie es wahrscheinlich Herr Feldmann nach Aussage von Dr. Bauch gemacht hat, oder c+/_v unterstellt hat, was sein Präsident suggeriert. Bisher haben wir kein Statement von Herrn Feldmann, wie es wirklich gewesen ist.
Völlig unannehmbar ist es aber, dass die Öffentlichkeit mit unterschiedlichen Fakten über dasselbe Experiment bedient wird. Es ist auffällig, dass die 7 ICARUS Messungen sich völlig symmetrisch um den ungefähren Erwartungswert del t = 0.5 ns herumgruppieren, während der statistische Fehler zu +/- 4.9 ns und der systematische Fehler zu +/- 9.0 ns abgeschätzt wurde. Es soll ja Wunder geben, aber mir ist ein solches in langjähriger Messpraxis noch nicht untergekommen.
Heute möchte ich mich einmal ungeniert in die Diskussion um das Problem der rasenden Neutrinos einmischen.
Vielleicht kann ich auch etwas zur Ehrenrettung der teilnehmenden Forschern am Neutrino-Experiment beitragen. Die haben nämlich nicht nur großen persönlichen Einsatz am Experiment geleistet sondern auch noch den Mut besessen zu sagen, dass es etwas gibt, dass schneller ist als Licht. Sie werden sich auch bewusst gewesen sein was sie damit anrichten. Mit dieser Behauptung stießen sie die Relativitätstheorie vom Sockel. Denn während des Experiments hätte die Zeit rückwärts laufen müssen – tat es aber nicht!
Es war sehr aufregend als mitgeteilt wurde, dass die Relativitätstheorie mit diesem Experiment hinfällig ist. Die rund 730 km lange unterirdische Strecke wurde, mir nichts dir nichts, schneller von den Neutrinos überwunden als dass es das Licht je könnte. Die Geschwindigkeit des Licht gilt als die Grenzgeschwindigkeit die kein Körper je erreichen kann. Und nun?
Nun wurde eifrig nach Fehlern und Ausreden gesucht, nicht von Experimentatoren, die mussten erst einmal einstecken. Dann gab es eine Meldung: „Ein wackliger Stecker war Schuld“ Es gibt auch andere Meldungen in der Art wie: „Es ist alles richtig abgelaufen nur die Auswertung war Fehlerhaft“ oder „defektes Glasfaserkabel“
Meine Gedanken. Das Experiment ist zur vollsten Zufriedenheit und ohne Fehler abgelaufen. Es wird nur Wasser mit Feuer verglichen. Wie ich darauf komme?
Die Neutrinos durchlaufen die Erdkruste mit Überlichtgeschwindigkeit. Es ist Materie die die flinken Burschen durchdringen. Was, wenn sie „nur“ Vakuum durchlaufen müssten? Die Lichtgeschwindigkeit wird mit dem Zusatz „im Vakuum“ angegeben.
Die Lichtgeschwindigkeit in Materie wie Glas, Wasser, Diamant, ist ein völlig andere. Wenn also die hohe Geschwindigkeit der Neutrinos mit der der Lichtgeschwindigkeit verglichen wird, dann bitte in der selben Materie. Dann wird es noch übler für die Relativitätstheorie.
Jungs, da in Cern, die ihr am Experiment gearbeitet habt, lasst euch nicht ins Boxhorn jagen. Macht noch ein Experiment welches in Materie wie Glas, Diamant usw. stattfindet. Lasst die Kontrahenten, Neutrino und Licht, unter gleichen Bedingungen von der Leine.
Man lässt schließlich auch keine Rennautos auf Asphalt und Sumpf gegeneinander antreten.