Fizika kategóriaarchívum

A tudomány hamis mítoszai – egyszerre több helyen

A kvantummechanika hétköznapi fogalmainkkal nehezen, vagy egyáltalán nem megközelíthető, annyira különbözik mindattól, amit a makrovilágban tapasztalhatunk. Hogy mégis beszélni tudjunk valahogy ezekről a jelenségekről, és képszerűvé, elképzelhetővé tegyük ezeket, sokan fordulnak olyan túlságosan leegyszerűsítő, sőt gyakran teljesen hamis ideák felé, amiket a nagyközönség számára eladhatóvá lehet tenni.

Számtalan ismeretterjesztő sorozat (a legjellemzőbb példa „Through the Wormhole with Morgan Freeman” című sokszor ismételt sorozat) hozza többször is elfogadott tényként mutatva be azt, az amúgy nem bizonyított állítást, hogy az elektron egyszerre több helyen is lehet, és a mozgása során többféle útvonalon is haladhat.

Mi lehet ennek az állításnak az eredete? Mert nem teljesen megalapozatlan, azt el kell ismerni. Ahogy az egyfotonos interferencia kísérletekből az derül ki, hogy a fényhullámok (vagy a fotonok) nem egymással interferálnak, hanem egy foton önmagával kölcsönhatva alakítja ki az ismert interferencia képet, ugyanúgy viselkedik az elektron is. (Itt most felváltva használjuk a foton és a fényhullám kifejezést, ami azért nem ugyanaz, de az interferencia jelenség magyarázatának szempontjából megfelelő bármelyik elnevezés.)

Elektronokat bocsátva egyenként egy kristályra, a becsapódási helyeket rögzítve, ha elegendő elektront küldünk át a kristályon, ki fog alakulni a fényhullámok esetében megjelenő interferenciakép. Úgy tűnik tehát, hogy az elektron is hullámként viselkedik terjedés közben, képes önmagával interferálni, a becsapódások helyét ez az interferencia határozza meg, a végső eredmény pedig sötét és világos területek váltakozó mintázata.

Elektron interferencia (forrás: www.britannica.com)

Ezek után könnyen arra a következtetésre juthatunk, hogy az elektron képes egyszerre több helyen létezni, és ezek a példányok vesznek részt abban a folyamatban, ami végül kialakítja az interferencia képet.

Csakhogy: ha ugyanaz az elektron lenne egyszerre több helyen, az több problémát is felvetne. Ugyanaz az elektron több helyen, ugyanazon időben létezve, többszörös tömeget és töltést is jelentene, márpedig ez nyilvánvalóan nem igaz. Sem a tömeg-energia megmaradás, sem a töltésmegmaradás törvénye nem teljesülne.

És még valami, ami nagyon fontos: ha bárhová a hullámtérbe elhelyezünk egy részecske detektort, az jelezni fogja, ha egy elektron beleütközik, ezzel egyidőben megszűnik az interferencia kép. Ha nagyon sok detektort helyezünk el, akkor minden egyes elektron kibocsátásakor lesz valahol egy detektor, ami jelez. Soha nem fog egyszerre több detektor jelezni, akárhány detektort helyezünk el bármilyen mintázat szerint. Soha senki sem észlelt még egyetlen kibocsátott elektront, egyidőben két detektorral. Ennél jobb ellenérv nem is kell a mítosz tévességének igazolására.

Ez a hamis mítosz, vagyis az, hogy egy elektron egyszerre több helyen is lehet, nem azt mondja, hogy egy elektron ugrál több hely között, vagy, hogy egy elektron szétkenve a hullámtérben interferál önmagával, hanem egyértelműen azt állítja, hogy egyetlen elektron (proton, részecske, atom…) létezik egyszerre több helyen.

A fentiek értelmében, a megmaradási törvények érvényességére alapozva, és annak ismeretében, hogy semmilyen kísérleti bizonyíték nem létezik, amely igazolná az egyszerre több helyen létezés hipotézisét, kijelenthetjük tehát, mely szerint a mítosz, hogy egy anyagi létező egyszerre több helyen is létezhet, merő képzelgés, hazugság, teljesen téves elképzelés.

Hogy miért terjesztik ezt még elismert fizikusok, tudósok, írók és más média szereplők is, annak sajnos az az oka, hogy manapság a figyelmet felhívni szimpla igazságokkal a médiában már nem lehet. Pénzt szerezni olyan kutatásokra, amik nem ígérnek szenzációt, sokkal nehezebb, mint térhajtóművekre, Ősrobbanás előállításra, gravitációs hullámokra, vagy éppen fantomként egyszerre több helyen létező részecskék kutatására.

Manapság a tudományban, és főleg annak populáris ágában szinte fertőzésként terjed a „minél nagyobbat mondani” kényszere. Így lesz multiverzum egyetlen Univerzumból, így lesz szimuláció a valóságból, így lesz hazugság és szemfényvesztés az igazságból.

Sikerült hát leszámolnunk az „egyszerre több helyen létezés” téves mítoszával, ettől persze még akkor is megmarad a rejtély, hogy hogyan képes az elektron interferencia kép létrehozására. Ez ugyanis teljességgel hullámtulajdonság, ilyen kép csak úgy keletkezhet, ha a térben terjedő hullámok csúcsai és völgyei találkoznak az ernyőn, és ott egymást erősítve, vagy kioltva hozzák létre a jellegzetes interferencia mintázatot, amik lehetnek világos-sötét sávok, vagy éppen koncentrikus körök is, esetleg ennél bonyolultabb alakzatok is. Ha nem az elektronok többszöröződnek, ahogy azt megállapítottuk, valaminek mégis csak terjednie kell hullámként a kibocsátó és a detektáló pont között, különben honnan állna elő az interferencia?

Egy biztos, a jelenséget semmilyen hagyományos, hétköznapi magyarázattal nem tudjuk megközelíteni. Csak azt tudjuk, hogy az elektron ott van a kibocsátáskor és a detektáláskor is, tömeggel, elemi töltéssel, feles spinnel, tökéletes klasszikus részecske, a terjedés közben azonban valami mássá alakul, amiről viszont csak hozzávetőleges képünk lehet, hiszen ahogy mérést végzünk, azonnal újra ott lesz a klasszikus részecske elektron, és egy pillanat alatt eltűnik az összes, most misztikusnak tűnő tulajdonsága.

Amit mérni tudunk az az elektron, viszont ami terjed, az nem az, hanem valami egészen más, ráadásul olyasvalami, amit semmilyen módszerrel nem tudunk körül tapogatni, megsejteni, milyen lehet, hiszen az egyetlen eszközünk a mérés, a detektálás, azzal pedig csak azt az eredményt kapjuk, hogy újra van egy szép klasszikus elektronunk, töltéssel, tömeggel, spinnel.

És ami most következik, az tiszta spekuláció lesz, elképzelése valaminek, aminek nincs hétköznapi leírása. Mérni, kísérlettel igazolni nem lehet, mert nincs olyan mérés, ami ezt a valóságot megismerhetné. Ha mérünk, elektront kapunk. Ha nem mérünk, nincs megismerés sem. Ez a kvantummechanika valósága, amit el kell fogadnunk, mert ilyen a világ. Nincs kisebb kölcsönhatás, ami megmutatná az elektron igazi arcát terjedés közben, de nem ugrasztaná össze azt a valóságot klasszikus elektronná. Nincs köztes szint, vagy mérünk, vagy sem, és akkor fogalmunk sincs arról, mi az, ami terjed, és azt hogyan teszi.

Amit tudunk: az elektron olyan kölcsönhatásban fog részt venni, ami minden fizikai törvénynek eleget tesz. És most szabadulhat el igazán a fantáziánk. Képzeljük el, hogy van egy elektron egy atom körül, gerjesztett állapotban, ami egy foton kibocsátásával képes egy alacsonyabb pályára kerülni, ehhez azonban a Pauli-féle kizárási elv értelmében az szükséges, hogy legyen egy szabad energiaszint valamelyik alacsonyabb energiájú pályán. Csakhogy az elektron csak olyan energiájú fotont tud kibocsátani, amekkora a mostani energiája és a leendő energiája közötti különbség. Bonyolíthatjuk a dolgot azzal, hogy van valahol egy másik elektron, amelyik fel fogja venni ezt a fotont, és egy nagyobb energiájú pályára fog állni, de ezt csak akkor tudja megtenni, ha van ilyen szabad energiaszint valamelyik távolabbi pályán. Ráadásul a foton a kibocsátás és elnyelés helye között olyan pályán fog mozogni, hogy a két esemény között a legkisebb legyen az eltelt idő, és persze mindeközben fénysebességgel fog haladni a kibocsátó és elnyelő között, úgy, hogy eközben jól viselkedő hullámként önmagával is interferál.

És most jön a felismerés, hogy ezt semmilyen hétköznapi módon nem tudjuk elképzelni: elindul a foton, amit kibocsát az elektron, majd azt elnyeli a másik elektron. Közben kiderül, hogy nincs olyan befogadó energiaszint, ahová a kibocsátó elektron beeshetne. Visszakéri a fotont, amit a másik elektron esetleg már elnyelt, vagy ami már messzire távolodott? Visszacsinálja ez egészet, majd újra próbálkozik? Ha talál magának megfelelő helyet, de a kibocsátott fotont nem tudja elnyelni a másik elektron, mert neki nincs szabad helye az elnyelés utáni energiával, akkor a foton körbejár az Univerzumban, és keres magának egy megfelelő elektront, ami elnyelhetné?

Már ebből is látható, hogy van valami alapvetően nem-lokális az Univerzumban, valami titokzatos „próbálkozó”, előrelátó mechanizmus, ami képes arra, hogy egyeztessen a kölcsönhatások résztvevői között, és ha minden résztvevő azt jelzi, hogy minden rendben, akkor ez a szervező kiadja az engedélyt, és a kölcsönhatás lezajlik.

Tudom, hogy ez most így nagyon furcsán hangzik. Kiindultunk abból a mítoszból, hogy egy elektron egyszerre több helyen is lehet, megcáfoltuk, majd most előállunk egy ilyen elmélettel egy kísérteties távolhatással, ami számol, egyeztet, engedélyez és mindent eligazít.

Az érdekes az egészben az, hogy ha valahogy magyarázni szeretnénk a mikrovilág viselkedését, akkor a fenti elképzelés még a legegyszerűbb, legártatlanabb leírása annak, ami történhet.

Hogyan zajlik le ezek alapján az elektron interferencia, amiből kiindultunk. A kibocsátás előtt a nem-lokális „teszt” lezajlik, kiderül, van-e detektor valahol, és az fel tudja-e venni az elektront. Ha igen, akkor az elektron kilép, és becsapódik a detektorba, ami jelzi, hogy egy klasszikus elektron megérkezett. Ha nincs detektor, de van rés (kristály) az útban, akkor a teszt hullám letapogatja a környezetet (az egész Univerzumot?), kialakítja az eredő hullámképet, majd megvizsgálja, hogy van-e a hullám útjában ernyő, azaz detektáló eszköz. Ha igen, kideríti, hogy annak melyik pontján a legvalószínűbb a becsapódás, és hogy abban a pontban van-e olyan objektum, amivel kölcsönhatásba léphet az elektron. Ha minden rendben van, akkor elindul az elektron, majd az ernyő megfelelő pontján detektáljuk. Sok elektront átküldve a rendszeren megkapjuk az ernyőn az interferencia képet.

Képtelenség? Elsőre valóban úgy tűnik. Csakhogy nincs más lehetőségünk egyelőre. Nagyon úgy néz ki, hogy csak olyan kölcsönhatás lehetséges, amelyet előzőleg ellenőrzött egy nem-lokális mechanizmus. Ennek végtelen sebességűnek kell lennie, különben az ellenőrzés közben megváltozhatnak a feltételek, és egy esetlegesen engedélyezett kölcsönhatás mégsem tud megtörténni emiatt.

És ha már képtelenség: van egy másik lehetőség, ami ugyanilyen abszurdnak tűnhet. Talán minden lehetséges és lehetetlen megtörténik egy olyan szinten a háttérben, amiről elvben sem lehet tudomásunk. Majd az összes lehetetlen és lehetséges történésből úgy lesz érzékelhető valóság, hogy csak azokat a variációkat tudjuk érzékelni, amik lehetségesek a valóságnak azon a szintjén, ahol a mi világunk elhelyezkedik.

Van tehát két réteg, az egyikben minden megtörténhet, ebből viszont csak az jelenik meg a másik rétegben, amit mi valóságként ismerünk, ami átmegy a fizikai törvények ellenőrző folyamatán. Ebben az esetben viszont kell egy visszafelé hatás is, ami ugyanis valósággá válik, az eltörölhet egy csomó korábban még valószínű, most azonban már teljesen lehetetlen ágat. Ha egy sakkjátszmában leütik a sötét királynőt, akkor az alsó szinten minden olyan esemény ágnak törlődnie kell, amiben a sötét vezér (királynő) szerepelne. Hát ez sem egy egyszerű elképzelés.

Egy másik lehetőség lenne az, ha a legmélyebb szinten az Univerzum determinált, ekkor ugyanis csak az történhet meg, ami megtörténik, a világnak csak egyetlen bejárható ösvénye van. Ennek ellentmond az Aspect-kísérlet, ami valójában a rejtett változós elméletekkel számolt le, ilyen lenne egy legmélyebb szinten determinált világ, ennek a létezői lennének a rejtett változók. Ez a lehetőség tehát kiesett, a világ nem determinisztikus, marad tehát a nem-lokális ellenőrzés, vagy a mindent eljátszó, de észlelhetetlen szint, amiből csak a validáción átment történések válnak a valóságos világ részeivé. A kettő nagyon hasonlít abban, hogy valamilyen, általunk észlelhetetlen szinten megtörténik minden, és ebből csak az lesz valóság, ami nem okoz ellentmondást. Ha több ilyen lehetőség is lenne, akkor marad a pénzfeldobás, a valódi véletlen.

Végül eljutottunk oda, hogy bár sikeresen megcáfoltunk egy, a tudományban széles körben elterjedt tévhitet, mégis azt mondhatjuk, hogy ha egy klasszikus elektron nem is lehet egyszerre több helyen, az elektronnak valamilyen manifesztációja mégis végigmegy a lehetséges életútjainak mindegyikén. Talán a Feynmann-gráfok valóban a világ szemünk elől elrejtett viselkedését írják le? Talán John Cramer tranzakciós interpretációja a retardált és avanzsált, időben előre-, és visszafelé haladó hullámokkal az a megközelítés, amely legközelebb áll a valósághoz?

A végtelen számú lehetőség végtelen összegzése, ez van az egész mélyén? Sajnos a kísérletek nem segítenek, ami marad, az a metafizika és a fantázia…

Vagy a világ működésének legalacsonyabb szintjén olyan mechanizmusok működnek, amiket még elképzelni sem lehet, annyira különböznek attól, amit mi valóságnak érzékelünk? Idő és tér nélküli kalkulációk, egy végtelen bonyolult módon összefonódott egységes Univerzum, ki tudja hány dimenzióval, aminek mi csak egyetlen vetületét látjuk, azt, amit a tudatunkkal képesek vagyunk leképezni és valóságnak elismerni?

Lesz-e vajon a tudománynak valaha olyan eszköze, amellyel megláthatjuk a legalapvetőbb szintjét az Univerzumnak, és ha lesz is ilyen, megértjük-e valaha mitől ilyen a világ, vagy ahhoz egy, a mostanitól sokkal, de sokkal bonyolultabb agyra, tudatra és intelligenciára lesz szükségünk?

Nyíregyháza 2020. február 18. – 2020. február 23.

Fizika

    Szilárd Leó fizikus egyszer kijelentette barátjának Hans Bethének, hogy azon gondolkodik, nem kellene-e naplót vezetnie.
   – Nem jelentetném meg. Csak leírnám a tényeket, tájékoztatásul Istennek.
   – Nem gondolod, hogy Isten tisztában van a tényekkel? – kérdezte Bethe.
   De igen – felelte Szilárd. – A tényeket ismeri, de nem ebben a változatban.

Az elemi töltés és a standard modell hibája

A részecskefizika standard modelljében az alapvető részecskék egy része, a proton és a neutron nem elemi részecske, hanem összetett, kvarkok alkotják mindkét részecskét. Három-három kvark van minden protonban és neutronban, mindhárom kvark töltése tört érték, 1/2 és 2/3, pozitív és negatív előjellel. Ezek összesen kiadják a proton egységnyi pozitív töltését, és a neutron semleges mivoltát.

Senki sem “látott” még kvarkot, sem tört töltést nem mért még soha senki. Az első problémára a modell egy olyan kitérő megoldást javasol, mely szerint a kvarkok közti vonzóerő a távolságukkal arányosan nő, ezért nem lehet őket szétválasztani.

Az persze egy érdekes kérdés lehet, hogy ha nem lehet őket szétválasztani, hogyan beszélhetünk mégis külön-külön a három kvarkról. Mondhatom, hogy az ágyam alatt van egy tigris, de azért nem észlelheti senki, mert vele együtt ott van egy anti-tigris is, amitől nem lehet elválasztani, és amelyik semlegesíti a tigrist. Ha megpróbálom őket eltávolítani, akkor a távolsággal arányosan növekszik a kettőjüket összetartó erő, így még annyira sem tudom őket elkülöníteni, hogy egy pillanatra felvillanjon valamelyikük. Viszont elvárom, hogy a többiek elhiggyék, hogy ez így van.

De nem ez a legnagyobb probléma, hanem az elektron, és az ő elemi negatív töltése (és persze az anti-párja, a pozitron és az ő elemi pozitív töltése). Az elektron, szemben a protonnal és a neutronnal, jelenlegi ismereteink szerint valóban elemi, semmilyen kísérletben nem sikerült kisebb darabokra szedni, vagy valamilyen belső szerkezetet felfedezni benne. Így az elektron egységnyi töltése valóban egységnyi. Az elektronban nincsenek tört töltésű kvarkok, amelyek össztöltése kiadná az egységnyi negatív elektromos töltést, abban valami olyasmi van, ami tényleg egy egységnyi negatív elektromos töltés.

A standard modell egy árva szót sem szól arról, hogy az elektron miért ilyen, és mi az, aminek ezt az egységnyi töltést köszönheti. A helyzet az, hogy ezek szerint a természetben valóban van elemi töltés, ami oszthatatlan. A kérdésem az: miért nem elégszünk meg azzal, hogy ez a természetben létező, valóban elemi töltés adja a proton pozitív töltését, és a neutron semlegességéért is valódi elemi pozitív és negatív egységtöltés a felelős.

Az elektronban és a pozitronban minden kétséget kizáróan megnyilvánul az elemi töltés. Miért kell akkor az atommag alkotórészeiben ezeket az elemi töltéseket tört töltésből összerakni? Ha van valóban egységnyi elemi töltés, akkor nem hihetetlenül valószínűtlen az, hogy van PONTOSAN 1/3 és PONTOSAN 2/3 töltéssel rendelkező kvark, amik kombinációja hajszál pontosan egységnyi vagy nulla töltést képes létrehozni? Gondoljunk bele: ha az Univerzum keletkezésekor ezeknek a kvarkoknak a töltése csak egy kicsit térne el az 1/3 és 2/3 értéktől, akkor a proton soha az életben nem lehetne egységnyi töltésű, és a neutron sem lehetne semleges, miközben az elektronnak ugyanúgy meg volna az egységnyi töltése. Ez a hajszálpontos 1/3 és 2/3 érték az egyik legmegdöbbentőbb példája lenne az Univerzum finomhangoltságának, simán beleférne az Intelligens Tervező elméletbe.

Arek Socha képe a Pixabay -en.

Ez a hajszálpontos 1/3 és 2/3 töltés a garancia arra, hogy lehessenek atomok, lehessenek molekulák, lehessen élet, és lehessen ember. Ha a kvarkok töltése mondjuk 0.333331 és 0.66666661 lenne, mi sohasem lehetnénk itt, és én sem tudnám megírni ezt, itt és most.

Van még egy probléma ezzel a tört töltéssel: valamiért a természetben nem látunk 2/3 vagy 4/3 töltésű részecskéket, pedig ehhez csak az kell, hogy a kvarkok olyan kombinációban alkossák ezeket a részecskéket, hogy éppen ilyen töltések jöjjenek ki. Vajon miért nincsenek ilyen furcsa részecskék? Persze, könnyű olyan kiegészítő szabályokat felvenni a standard modellbe, amikkel megmagyarázhatjuk az ilyen tört töltésű részecskék hiányát, de ez csak bűvészkedés és magyarázkodás. Csak megfelelő megfigyelhetetlen tulajdonságokat és ezek megmaradási tőrvényeit kell hozzávennünk az elmélethez, és máris megmagyaráztuk, miért nincsenek tört töltésű részecskék a természetben.

Én úgy gondolom, a standard modell ott csúszott először félre, és ezt nevezem én az első, és szerintem a legnagyobb hibának, hogy elfogadta a kvarkok létezését, azzal együtt, hogy tört töltést tulajdonított nekik.

A Természet nem adja meg nekünk azt a lehetőséget, hogy tört töltést mérjünk, talán pontosan azért, mert nincs ilyen, ami van, az az egységnyi pozitív és negatív töltés, amit mérni és tapasztalni tudunk.

Meg kellene elégednünk ezzel…

Nyíregyháza, 2017. május 23. – 2018. május 24.

A világ a fény szemszögéből

A speciális relativitás-elméletnek két jól ismert következménye van a mozgó testek tulajdonságait illetően: egy megfigyelő a hozzá képest mozgó testet a mozgás irányában megrövidültnek látja, valamint azt tapasztalja, hogy a mozgó test ideje lassabban telik, azaz a mozgó testen végbemenő folyamatok lelassulnak a megfigyelő rendszerében zajló folyamatokhoz képest. Minél gyorsabb a test mozgása a megfigyelőhöz képest, ezek az effektusok annál szembetűnőbbek, azaz a rövidülés annál nagyobb, mint ahogy az időlassulás mértéke is nő, a sebességgel együtt. A változások mértékét pontosan leírják a Lorentz-transzformáció egyenletei, amelyek mind a hossz-kontrakció, mind pedig az idő dilatáció pontos értékét a sebesség függvényében határozzák meg. Ezek a transzformációs egyenletek tartalmazzák a fénysebességet is, amely a speciális relativitás-elmélet szerint minden megfigyelő vonatkoztatási rendszerében azonos mennyiség. Ráadásul az egyenletek olyanok, hogy ha egy test fénysebességgel mozog, akkor a mozgás irányában a hossza nulla lesz, az idő pedig megáll a mozgó test rendszerében. Többek között ez is akadálya lehet annak, hogy semmilyen nyugalmi tömeggel rendelkező test nem érheti el a fénysebességet.

És vajon mi van a nyugalmi tömeggel nem, de mozgási tömeggel mégis rendelkező testekkel? Ilyen az elektromágneses kölcsönhatás kvantuma, a foton. Két helyzetet kell megvizsgálnunk: hogyan látjuk a fénysebességgel mozgó fotont, illetve, hogyan látnánk a világot, ha a fotonon ülve utaznánk.

Állítólag Einstein is akkor kezdett először a mozgó testek elektrodinamikájáról gondolkodni, amikor elképzelte, mi lenne akkor, ha utolérne egy fénysugarat. Akkor úgy vélte, a fényhullám megszűnne abban a pillanatban, amikor ő is fénysebességgel haladna. Ez is egyike volt azon furcsaságoknak, amelyek végül is a speciális relativitás-elmélet megalkotásához vezettek. Sajnos Einstein miután 1905-ben közzétette az elméletet, nem tért vissza az eredeti elképzeléséhez, és nem vizsgálta meg, vajon mi történne, immár a speciális relativitás-elmélet tükrében, akkor, ha sikerülne utolérnünk egy fénysugarat. Pedig ez továbbra is ugyanolyan érdekes kérdés, mint az elmélet megfogalmazása előtt volt.

Talán egyszerűbb, ha a második esettel kezdjük, azzal, ami már Einsteint is foglalkoztatta, üljünk fel tehát egy fotonra, és nézzük meg a világot onnan. Azonnal érdekes következtetésekre jutunk a Lorentz-transzformáció alkalmazásával. Hogy ezeket a kellemetlen következtetéseket elkerüljék, a fizikusok egyszerűen kijelentik, hogy a fotonhoz, azaz egy fénysebességgel haladó rendszerhez nem rendelhetünk vonatkoztatási rendszert, sőt egy ilyen rendszer nem tekinthető inercia-rendszernek sem, azaz nem használhatjuk a Lorentz-transzformációt. Hogy miért nem, azt nem tudjuk, illetve azt nem árulják el nekünk. Ha azonban ezen a nyilvánvalóan mondvacsinált és alaptalan kikötésen túltesszük magunkat, akkor arra a következtetésre jutunk, hogy a fotonnal utazva, a világot egy a mozgás irányában nulla kiterjedésű, azaz kétdimenziós síknak fogjuk látni, amely világban nyilván nem is tudunk mozogni a mozgás irányában, már ha ez nem lenne önmagában is furcsa kijelentés. Emellett az idővel is lesznek problémáink, hiszen a körülöttünk lévő világ, illetve hát a mellettünk elterülő sík ideje megáll, a síkon az órák többé nem mozdulnak, és semmilyen esemény nem történik többé a síkon. A Világegyetemben lévő többi fotonról is érdekes tapasztalatokat szerezhetünk. Ezek ugyanis csak egy síkban mozoghatnak, hiszen a látható világunk egy vastagság nélküli sík, ráadásul azoknak a fotonoknak a sebessége, melyeknek tulajdonképpen fénysebességgel kellene hozzánk képest mozogniuk, nulla lesz, hiszen az idő nem telik, így minden mozgás befagy.

Ez a világ, amit tehát egy fotonon ülve láthatunk, meglehetősen bizarr, holott csak a Lorentz-transzformációt alkalmaztuk. Valami nyilvánvalóan nem jó a gondolatmenetünkben. A fizikusok nyilván azt mondanák, és ezzel próbálnák bizarr világunk alól kihúzni a talajt, hogy a fény kvantumához, a fotonhoz nem rögzíthetjük hozzá a vonatkoztatási rendszerünket. Azon kívül, hogy erre semmilyen alaposabb indokuk nincsen, van még egy komolyabb probléma is. A foton kétségkívül része a világunknak, egy olyan alapvető kölcsönhatás közvetítő részecskéje, mint az elektromágneses kölcsönhatás. Az tehát, hogy egy olyan fizikánk van, amely tulajdonképpen nem tartalmazza a fotont, nemcsak hogy furcsa, de véleményem szerint elfogadhatatlan. A fizika nem függhet attól, hogy milyen entitás szemszögéből vizsgáljuk. Nem elegendő, ha a magunk szemszögéből írjuk le, le kell tudnunk írni a foton szemszögéből is. A fotont nem zárhatjuk ki a vizsgálódásaink köréből, ha egy teljes elméletet felállítása a célunk.

Mostanában divatos a mindenség egyesített elméletét keresni. Ez egy szép, bátor vállalkozás, a húrelmélet kb. 30 éve indult azzal a reménnyel, hogy belőle válik majd a minden kölcsönhatást egyesítő, minden részecskét leíró egyetlen és egyetemes elmélet. Azóta sem váltotta be ezeket a reményeket, és ma már messzebb van a mindenség elmélete jelöltségtől, mint valaha. De vajon a húrelmélet, ha már az egyesített elmélet szeretett volna lenni, foglalkozott valaha is azzal a problémával, hogy megpróbálja leírni a világot a foton szemszögéből? Nem, soha meg sem próbálta. Hogyan akarhatott akkor a mindenség elméletévé válni? Hogyan akar egyáltalán bármelyik elmélet is a nagy egyesített elmélet címére pályázni, ha még csak meg sem fogalmazza ezt az elvárást. Nem lehet két fizika, nem lehet sok fizika. Nem lehet külön fizikája a fényen kívüli, és a fényhez rögzített világnak. Egy pontos és helyes elméletnek le kell tudnia írni a világot a fény szemszögéből is.

De ez persze csak az egyik probléma. Mert ott van a másik irány is, vajon mi milyennek látjuk a fényt? Erről megmondom őszintén, még csak sejtésem sincs. Ha igaz a speciális relativitás-elmélet, akkor egy fénysebességgel mozgó tárgynak nincs a mozgás irányába eső hossza, és az idő sem telik az ilyen sebességgel mozgó testen. Ha a fotont egy véges méretű hullámcsomagnak gondoljuk, akkor a mozgás irányában ennek a csomagnak a kiterjedése nulla. Egy ilyen, nulla hosszú csomagnak kell például az interferencia jelenségét produkálnia. És ha ez nem lenne elég, a másik következménye a Lorentz-transzformációnak sem képzelhető el könnyedén, hiszen ha elfogadjuk, hogy a foton valaminek a rezgése, elég nehéz lesz megmagyaráznunk azt, hogyan tud valami rezegni idő nélkül. Igaz, hogy a foton transzverzális rezgést végez, de ehhez is szüksége van időre, ha viszont fénysebességgel halad, akkor bármilyen rezgési periódus a végtelenségig tart, a foton egyetlen egy rezgést sem képes elvégezni a Világegyetem teljes életkora alatt sem.

Lehet, hogy valamit rosszul tudok, vagy rosszul gondolok, viszont amit eddig a speciális relativitás-elmélettel kapcsolatban megtanultam és megtudtam, az ilyen következtetésekre kényszerít, és ehhez csupán komolyan kell vennem az idő és a tér transzformációs formuláit:

A hossz transzformációs formulája a v=c esetben nulla hosszt ad a mozgás irányában tetszőleges nyugalmi hossz esetére.

Az idő transzformációs formulájában pedig nulla van a nevezőben, ha a v=c esetet vizsgáljuk, azaz tetszőleges, nyugalmi időintervallumhoz, végtelen időtartam tartozik a mozgó rendszerben.

A fenti gondolatmenetet én eddig még sehol sem olvastam, internetes fórumokon vitatkozva jutottam ezekre a bizarr következtetésekre, de érdekes módon, a vitapartnereim még csak meg sem próbálkoztak érdemi ellenvetéssel. Csupán egyetlen érvet hangoztattak folyamatosan, mégpedig azt, hogy a speciális-relativitás elmélet egy matematikailag korrekt és tökéletes elmélet, és hogy én valószínűleg nem értem a matematikáját, ha nekem ilyesmik gondot okoznak.

Márpedig nekem az ilyesmik gondot okoznak, és mivel kíváncsi ember vagyok, aki szeret a kérdéseire választ is kapni, így közzéteszem e gondolatokat, remélve, hogy lesz valaki, aki a segítségemre siet, és rávilágít arra, hogy hol tévedtem.

Mert ha nem tévedtem, akkor bizony a fizika alapos felülvizsgálatra szorul, elsőként persze a speciális relativitás-elméletet kell elvetni, és valami alkalmasabbal helyettesíteni. Több mint száz éve uralja ez az elmélet a fizikai gondolkodást anélkül, hogy a tudósok következetesen végiggondolták volna az összes következményét.

Egyet biztosan nem gondoltak végig: hogyan nézhet ki a világ, ha felülünk egy fénysugárra…

Nyíregyháza, 2012. november 3.

COBE – Helyünk a Világegyetemben

A NASA 1989. november 18.-án bocsátotta fel a COBE műholdat. A küldetés legfontosabb célja a kozmikus háttérsugárzás egyenletességének és termikus spektrumának vizsgálata volt.

Az egyenletesség a kozmikus struktúrák kialakulásának szempontjából fontos. Ha ugyanis a háttér semmilyen “szemcsézettséget” nem mutat, akkor nem tudhatjuk, honnan erednek azok az anyagtömörülések, amelyekből a későbbi galaxisok és galaxis halmazok kialakulhattak. A COBE megtalálta azokat a “fodrozódásokat” az egyenletes kozmikus háttéren, amelyek az ilyen struktúrák felépülését megindíthatták. Ez tehát egyértelmű siker, ami megerősíti a jelenleg legnépszerűbb elméletet, az Ősrobbanás elméletét.

A kozmikus háttérsugárzás a COBE szemével

Egy másik ilyen megerősítése az elméletnek szintén a COBE küldetésének eredménye. Kiderült, hogy a háttérsugárzás spektruma közel tökéletesen megegyezik az abszolút fekete-test spektrumával. Ez azt jelenti, hogy a Világegyetem kialakulásának ebben az időszakában termikus egyensúlyban volt. Ez persze további kérdéseket vet fel, nevezetesen a termodinamika második főtételével kapcsolatban: ha ugyanis az összes energia a sugárzási térben halmozódott fel méghozzá termikus egyensúlyban, és maximális entrópiával, akkor a Világegyetem hőhalála, – amit a 19. század fizikusai oly gyakran emlegettek, mint a jövő fenyegető rémét – nem a jövőben jön el, hanem már a múltban bekövetkezett.

Van egy ennél még érdekesebb következménye a COBE küldetésnek. A kozmikus háttérsugárzás frekvenciájában ugyanis kimutatható a Doppler-hatás. A tér egyik irányában a sugárzás frekvencia spektruma a kék felé, ezzel ellentétes irányban pedig a vörös felé tolódik el. Az eltolódás nagyságából kiszámítható, hogy a detektor, vagyis tulajdonképpen a Föld kb. 600 km/s sebességgel mozog a térben.

És ez igen érdekes kérdéseket vet fel. Galilei és Einstein óta tudjuk ugyanis, hogy az abszolút sebességnek nincsen értelme, ha valaminek a sebességéről beszélünk, mindig meg kell mondanunk, mihez képest értjük azt. Most azonban itt van egy sebesség, amit kimértünk anélkül, hogy megmondtuk volna, mihez képest értendő.

Ez tehát valamiféle abszolút sebesség lenne? Ellentétben mindazzal, amit az iskolában a Galilei és Einstein féle relativitási elvről megtanultunk?

A tudósok többségének a válasza erre az, hogy ez a sebesség a háttérsugárzáshoz képest értendő, tehát nincsen benne semmi abszolút.

De a dolog azért nem ilyen egyszerű. Mert mi is az a háttérsugárzás? Elektromágneses sugárzási tér, ami kitölti az egész Univerzumot. Szó sincs tehát klasszikus értelemben vett tömegpontról, tárgyról, vagy bármiféle szilárd megfogható objektumról. Ez a sugárzási tér olyan értelemben abszolút, hogy a Világegyetem összes megfigyelőjének egyformán elérhetően a rendelkezésére áll. Mindenki kimérheti az ehhez viszonyított sebességét, ebből kiszámíthatják az egymáshoz viszonyított sebességüket is, tehát egy abszolút sebesség fogalom kiépíthető a segítségével. Ráadásul a háttér hőmérséklete a Világegyetem életkorával csökken, tehát még egy abszolút időskála is létrehozható.

Van azonban egy kis probléma ezzel az abszolút skálával. Az ugyanis, hogy a tágulásból eredő sajátsebesség nem mutatható ki a segítségével, holott ez elvárható lenne egy abszolút vonatkoztatási rendszertől. Vegyünk ugyanis egy olyan objektumot, ami a távolságából és a Hubble konstansból kiszámított fél fénysebességgel távolodik tőlünk a Világegyetem tágulásának következtében. Ha igaz az abszolút skála, akkor ő ezt a fél fénysebességet ki tudná mérni a háttérsugárzáshoz képest. Ez viszont olyan drasztikus kék és vörös eltolódással járna, hogy az ő számára a háttér egészen másképp nézne ki, mint a mi számunkra. A háttérnek viszont közel egyformának kellene lennie minden megfigyelő számára a Világegyetemben, ha ugyanis nem így lenne, akkor a Világegyetemben lenne kitüntetett megfigyelő, ez pedig a geocentrikus szemlélet egy sokkal “keményebb” visszatérése lenne.

Vegyük észre, hogy az abszolút vonatkoztatási rendszer és a kitüntetett megfigyelő nem ugyanazt jelenti. Az előbbi egy elektromágneses háttér, az utóbbi egy anyagi megfigyelő, akit a Világegyetem tágulása valamiféle középpontként jelölne ki.

A kulcskérdés tehát az: ha ki tudjuk mérni a háttérhez képest a sajátsebességünket, miért nem tudjuk kimérni a Világegyetem tágulásából következő sebességünket?

Michelson és Morley a 19. század végén éppen azért végezte el híressé vált kísérletét, mert szerették volna kimutatni a Föld mozgását a hipotetikus éterhez képest. A null-effektus vezetett el a speciális relativitás-elmélethez. A COBE egy évszázaddal később kimutatta a Föld mozgását, ha nem is az éterhez képest, de valami ehhez kísértetiesen hasonló létezőhöz képest. Ha Michelson és Morley végezhették volna el a COBE méréseit, lenne vajon speciális relativitás-elmélet?

Azt hiszem nem…