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.
