Znanstveniki na globini 2,4 kilometra preverjali Einsteinovo teorijo, rezultati so jih presenetili

Gre za načelo, po katerem imajo temeljni fizikalni zakoni enako obliko oziroma enako veljajo za vse opazovalce, ne glede na njihovo relativno hitrost in smer v prostoru.

Rezultati raziskave, objavljeni 4. novembra 2026 v znanstveni reviji Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, so pokazali, da znanstveniki niso našli dokazov, ki bi postavljali pod vprašaj to temeljno načelo.

Kljub temu je eksperiment omogočil določitev novih, izjemno natančnih omejitev za teorije, ki predvidevajo, da bi lahko znani fizikalni zakoni v določenih okoliščinah prenehali veljati.

Še posebej zanimivo je, da so raziskovalci do teh rezultatov prišli s pomočjo teleskopa, ki je bil v času zbiranja podatkov šele delno zgrajen, piše Nova.rs.

Zakaj so znanstveniki teleskop postavili na morsko dno?

Nenavadna naprava se imenuje ORCA, kar je kratica za Oscillation Research with Cosmics in the Abyss. Nahaja se v Sredozemskem morju, nedaleč od francoskega mesta Toulon, in je del mednarodnega raziskovalnega projekta KM3NeT.

Za razliko od običajnih teleskopov, ki zbirajo svetlobo iz vesolja, je ORCA zasnovana za zaznavanje nevtrinov, subatomskih delcev, ki nenehno prehajajo skozi naš planet. Nevtrini imajo izjemno majhno maso, nimajo električnega naboja in zelo redko vstopajo v interakcijo s snovjo.

Zato lahko prepotujejo ogromne razdalje in celo prečkajo celotno Zemljo, ne da bi pri tem skoraj karkoli vplivalo na njihovo gibanje. Prav zaradi te lastnosti so še posebej zanimivi za raziskovalce, ki z njihovim preučevanjem poskušajo razumeti temeljne zakonitosti vesolja.

Tako bi lahko dali tudi odgovor na vprašanje: "Zakaj sploh obstajamo?". O tem smo pisali v članku Velika tekma za odgovor na vprašanje: "Zakaj obstajamo?"

Ena od avtoric raziskave Alba Domi je sodelovala pri nameščanju prvih detektorskih enot na morsko dno. Raziskovalci so s plovil, ki so jih uporabljali pri gradnji teleskopa, spuščali zapleteno opremo v globino, kjer vladata popolna tema in izjemen vodni tlak.

Čeprav se takšno okolje na prvi pogled zdi nenavadno za izvajanje znanstvenega eksperimenta, globoko morje ponuja ugodne razmere za zaznavanje izjemno šibkih signalov, ki jih lahko povzročijo nevtrini.

Znanstveniki poskušajo odkriti šibko točko Einsteinove teorije

Kot smo zapisali na začetku, je v središču raziskave načelo, znano kot Lorentzeva invariantnost, ki predstavlja enega od temeljev Einsteinove teorije relativnosti.

Po tem načelu ostajajo temeljni fizikalni zakoni enaki ne glede na orientacijo (smeri) opazovalca in njegovo enakomerno premočrtno gibanje (relativno hitrost glede na ostale opazovalce).

Čeprav so to načelo potrdili že številni eksperimenti, znanstveniki še vedno poskušajo ugotoviti, ali velja brez izjeme v vseh okoliščinah.

Razlog za takšne raziskave se skriva v enem največjih nerešenih vprašanj sodobne fizike. Splošna teorija relativnosti izjemno uspešno opisuje gravitacijo in obnašanje vesolja na velikih razdaljah. Po drugi strani kvantna fizika pojasnjuje obnašanje delcev in pojavov v mikroskopskem svetu.

Vendar znanstvenikom teh dveh področij fizike še ni uspelo združiti v enotno teorijo, ki bi zanesljivo opisovala tudi gravitacijo na kvantni ravni.

Sta čas in prostor "gladka" ali "zrnasta"?

Nekatere teoretične predpostavke nakazujejo možnost, da imata prostor in čas, ki ju dojemamo kot zvezna, na izjemno majhnih razdaljah morda diskretno ali "zrnasto" strukturo (kot recimo piksli na televizijskih ekranih, ki so sicer drobne točke, v celoti pa ustvarjajo videz "gladke" slike).

Če bi se izkazalo, da takšna struktura obstaja, bi to lahko imelo pomembne posledice za naše razumevanje fizikalnih zakonov. Eden od možnih načinov za odkrivanje sledi takšne nove fizike je prav iskanje odstopanj od Lorentzeve invariantnosti.

Delci, ki lahko prepotujejo celotno Zemljo

Da bi preverili to možnost, so raziskovalci preučevali obnašanje nevtrinov, ki nastanejo ob interakciji kozmičnih žarkov z delci v Zemljinem ozračju.

Nevtrini obstajajo v treh vrstah oziroma treh tako imenovanih okusih: elektronski, mionski in tau nevtrini. Ena njihovih najbolj nenavadnih lastnosti je sposobnost, da med potovanjem prehajajo iz ene vrste v drugo.

Ta pojav je znan kot nevtrinska oscilacija. Znanstveniki lahko z uporabo obstoječih teoretičnih modelov zelo natančno napovejo verjetnost takšnih sprememb. Če bi se izkazalo, da se nevtrini obnašajo drugače, kot napovedujejo ti modeli, bi to lahko nakazovalo obstoj doslej neznanih fizikalnih procesov.

V okviru raziskave so analizirali nevtrine, ki so potovali skozi notranjost našega planeta, preden so dosegli podvodni teleskop.

Nekateri med njimi so prepotovali skoraj 12.700 kilometrov, kar približno ustreza premeru Zemlje.

Tako velike razdalje so še posebej pomembne, saj bi se lahko določena morebitna odstopanja od znanih fizikalnih zakonov med potovanjem delcev postopoma kopičila, piše Nova.rs.

Kako deluje teleskop na morskem dnu?

ORCA uporablja niz detektorskih enot, pritrjenih na morsko dno. Vsaka enota vsebuje 18 steklenih krogel, v vsaki od njih pa je nameščenih 31 svetlobnih senzorjev.

Ko nevtrino v redkih primerih vstopi v interakcijo s snovjo v vodi, lahko nastanejo električno nabiti delci, ki med gibanjem oddajajo šibko, značilno svetlobo.

Gre za tako imenovano Čerenkovo sevanje, ki ga zaznavajo senzorji. Z analizo teh svetlobnih signalov lahko raziskovalci rekonstruirajo smer, iz katere je nevtrino prispel, in ocenijo njegovo energijo.

Zemlja ima v tem eksperimentu še eno pomembno vlogo. Deluje kot naravni filter, saj zaustavi velik del drugih delcev, ki bi lahko motili meritve, medtem ko lahko nevtrini prehajajo skozi njeno notranjost.

Podobno načelo uporablja tudi znani observatorij IceCube na Antarktiki, le da so njegovi detektorji vgrajeni globoko v led, medtem ko ORCA uporablja morsko vodo.

Obe okolji imata določene prednosti in slabosti. Led močneje sipa svetlobo, morska voda pa jo bolj absorbira, kar vpliva na način obdelave zbranih signalov.

Analizirali so 5.828 signalov in dobili nepričakovano natančne rezultate

Raziskovalna skupina je analizirala skupno 5.828 dogodkov, ki so ustrezali morebitnim zaznavam nevtrinov in so jih zabeležili v približno 17 mesecih med letoma 2020 in 2021.

V tem obdobju je imel teleskop na voljo le šest detektorskih enot, kar je predstavljalo zgolj majhen del načrtovane opreme. Znanstveniki so izmerjene energije in smeri prihoda nevtrinov primerjali z napovedmi standardnih fizikalnih modelov.

Rezultati niso pokazali odstopanj, ki bi nakazovala kršitev Lorentzeve invariantnosti. Vendar to ne pomeni, da je možnost obstoja takšnih odstopanj dokončno izključena.

Eksperiment je pokazal, da bi morali biti učinki morebitnih odstopanj manjši od mejnih vrednosti, ki so jih raziskovalci uspeli določiti. To je pomembno, saj je na ta način mogoče izključiti nekatere teoretične predpostavke, ki napovedujejo izrazitejše spremembe v obnašanju nevtrinov.

Posebej pomemben dosežek predstavljajo nove neposredno določene omejitve morebitnih razlik v obnašanju mionskih in tau nevtrinov.

Čeprav so eksperiment izvedli z razmeroma majhnim številom detektorskih enot, so dosegli rezultate, primerljive z nekaterimi izsledki precej večjih znanstvenih raziskovalnih naprav.

Med njimi sta japonski Super-Kamiokande, ki je za primerljive raziskave uporabljal podatke, zbrane v približno 12 letih, in antarktični IceCube, katerega analize so zajemale dve leti delovanja celotnega detektorja.

Lukas Henig, eden od avtorjev raziskave z Univerze Friedricha Alexandra v Erlangnu in Nürnbergu, je izrazil presenečenje nad dejstvom, da je bilo mogoče s tako majhnim številom detektorskih enot doseči rezultate, primerljive s precej večjimi eksperimenti.

Naslednji korak bi lahko razkril še več o naravi vesolja

Podvodni teleskop ORCA se še naprej razvija, raziskovalci pa pričakujejo, da bo povečanje števila detektorskih enot omogočilo še natančnejše meritve.

Vendar prihodnje raziskave ne bodo omejene zgolj na nevtrine, ki nastajajo v Zemljinem ozračju.

Znanstveniki nameravajo uporabiti tudi podatke sorodnega detektorja ARCA, ki se nahaja v Sredozemskem morju nedaleč od Sicilije.

Ta naprava je namenjena preučevanju nevtrinov z izjemno visokimi energijami, ki prihajajo iz oddaljenih vesoljskih virov.

Takšni delci bi lahko bili še posebej koristni pri iskanju nove fizike, saj so nekateri hipotetični učinki izrazitejši pri višjih energijah in med potovanjem skozi ogromna vesoljska prostranstva.

Za zdaj pa raziskovalci še nimajo dovolj zaznanih astrofizikalnih nevtrinov, da bi lahko opravili ustrezno analizo. Najnovejši rezultati torej niso dokaz, da je Einsteinova teorija napačna. Nasprotno, še en eksperiment je pokazal, da znani fizikalni zakoni zelo dobro opisujejo obnašanje narave.

Kljub temu vsaka nova, natančnejša meritev dodatno zožuje prostor za teorije, ki napovedujejo odstopanja od tega obnašanja, piše Nova.rs.