Címkearchívumok: relativitás

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…