Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki.pdf

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 1/21 Wiedza i Edukacja ISSN 1898-9233 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czy zasada ontologiczna? Kwiecień 3, 2011 - Artykuły, Fizyka - Tagged: Albert Einstein, Andrzej Cichocki, Max Planck, prędkość światła, szczególna teoria względności - no comments Precyzyjne pomiary prędkości światła w istocie potwierdziły słuszność przewidywań teorii elektromagnetycznej Maxwella. W teorii tej ustalono, że fala elektromagnetyczna, do której zaliczamy światło, porusza się ze skończoną prędkością, zależną od wartości parametrów przenikalności elektromagnetycznych ośrodka. Obecnie uznaje się , że prędkość ta przybiera najwyższą wartość w próżni ( C ≈ 299 792,5 km/s ). Jednocześnie panuje przeświadczenie, że jest to wielkość graniczna prędkości propagacji energii w przyrodzie. Z równań Maxwella wyprowadzono bowiem niezależną od układu odniesienia, skończoną wielkość wyrażoną wzorem: C = 1/ √με (1) ε = 8,85 • 10-12 [As/Vm] (2) μ = 4π٠10-7 [Vs/Am] Maksymalną wartość prędkości fali elektromagnetycznej oszacowano dla parametrów przenikalności próżni, mierzonych w warunkach standardowych. Prędkość ta ma jeszcze jedną zdumiewającą własność, jaką zadekretował Einstein - cechę absolutnej niezmienności we wszystkich tzw. inercjalnych układach odniesienia. Ruch mechaniczny nadajnika w pustej przestrzeni ani też ruch fali względem obserwatora nie wpływają na zmianę prędkości. Na przełomie XX wieku w ten właśnie sposób zinterpretowano przełomowy eksperyment Michelsona – Morleya (3) z 1887 roku, negujący prawdziwość hipotezy światłonośnego eteru. Niezachwiana wiara fizyków tamtej epoki w obecność eteru, godna lepszej sprawy, mogła być podyktowana błędnymi wyobrażeniami o podłożu zjawisk elektromagnetycznych. Ostatecznie .... i w najbardziej bezpośredni sposób złudzenie istnienia spoczywającej eterycznej materii, unoszącej fale, rozwiała mechanika kwantowa. Odtąd ufamy doświadczeniom, które przekonują, że światło posiada samoistny byt korpuskularno- falowy. Z początkowej magicznej fazy rozumienia światła pozostawiono nietknięty jeden doniosły atrybut: właśnie stałość prędkości w układach inercjalnych. Ten nienaruszalny zdawałoby się stan wiedzy w nauce zadała szczególna teoria względności Einsteina w słynnym II postulacie teorii... Oto jego treść pochodząca z przekładu oryginału. „Każdy promień światła rozchodzi się w układzie spoczynkowym ze stałą prędkością C, niezależnie od tego, czy jest emitowany przez ciało będące w spoczynku czy w ruchu. Wobec tego prędkość = droga światła /przedział czasu, gdzie przedział czasu należy rozumieć w sensie” definicji: t – t ARTYKUŁY E-BIBLIOTEKA ENCYKLOPEDIA "EPISTEMA" MULTIMEDIA A’ A Search Kategorie Wybierz kategorię Dołącz do nas na Facebooku!!! Znajdź nas na Facebooku WiE 646 osób lubi obiekt WiE. Wty czka społecznościowa Facebooka Lubię to! Bezpłatne e-booki

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 2/21 t – punkt czasu wyznaczony przez obserwatora w miejscu powrotu promienia światła, t – punkt czasu w którym wysłano światło z układu spoczynkowego obserwatora.”(4) Niezmienny pogląd o maksymalnej wielkości C trwał do roku 2000 , kiedy to bodaj po raz pierwszy wygenerowano impulsy falowe o prędkości przewyższającej ponad 300 razy znane ekstremum. Rezultat anomalnej dyspersji uzyskano podczas propagacji światła w oparach cezu, zamkniętych w kuwecie szklanej, w warunkach specjalnie dobranych przez zespół dr Wanga w NEC Laboratory of Princeton.(5) Obecnie prowadzi się ożywione dyskusję nad tym eksperymentem i proponowane są dalsze badania nad naturą „ szybkich fotonów’’. Jednakże jedno należy powiedzieć z całą pewnością: nie da się twierdzić dłużej , że nic nie porusza się szybciej niż światło w próżni. Wynik ten był tym bardziej zaskakujący , że dotyczył przemieszczania się fali elektromagnetycznej w ośrodku gęstym, gdzie doszło do zjawiska anomalnej dyspersji, wbrew zwyczajowym oczekiwaniom. Co oznacza w rzeczywistości prędkość światła? Czy prędkość ta jest jednakowa, gdy nie wykonujemy pomiarów? Pytania odnoszą się raczej do kręgu dociekań filozofii. Fizycy przywykli uznawać rzeczywistością, tylko taką strukturę, która daje się badać doświadczalnie i posiada model matematyczny. Zatem prędkość jest zjawiskiem ni mniej ni więcej tylko geometrycznym o ściśle określonych definicjach matematycznych. W mechanice fal wyróżnia się dwie podstawowe definicje: prędkość fazową i prędkość grupową. Prędkość fazowa jest miarą przyłożoną dla fali nieskończenie rozciągłej w przestrzeni (o przebiegu harmonijnym). Mówi zazwyczaj tyle, że odległość między dwoma punktami wykresu falowego, pozostaje stała w tej samej fazie i w tym samym czasie, który charakteryzuje okres. Zatem prędkość taką wyraża wzór o następującej postaci: λ•f = C λ – długość fali [m], f – częstotliwość fazowa [Hz]. Prędkość grupowa dotyczy zazwyczaj impulsu złożonego z wielu interferujących ze sobą fal. Omawiana prędkość grupowa Vg została określona następującym wzorem: L/T = V L – droga przebyta przez impuls [m], T – czas pomiaru propagacji fali [s]. Prędkość grupową używamy najczęściej do określenia szybkości przemieszczania się fali w ośrodkach gęstych. Wynika stąd, że oba rodzaje prędkości nie są sobie równoważne i pozostają w stosunku zależnym od rodzaju fali ( monochromatyczna, widmo falowe) oraz badanego ośrodka. W klasycznej definicji kinematycznej (używanej do opisu ruchu ciał materialnych w przestrzeni) zadajemy stosunek drogi X przebytej przez ciało między statycznymi punktami A i B w przestrzeni metrycznej, do czasu trwania pomiaru t. V = X/t Zauważmy na wstępie, że podany wzór nie wyczerpuje zbioru matematycznych określeń jednej z podstawowych wielkości fizycznej. W wielu zagadnieniach posługujemy się zbiorem rozmaitych wyrażeń wielkości o wymiarze podanym w układzie SI ( metr na sekundę). dx/dt ; ΔX/Δt ; λf ; UT/t ... Oznaczają one różne podejścia poglądowe stosowane do tego samego zagadnienia prędkości ruchu. Prędkość rozumiano jako funkcja wielkości kinematycznych (X, t) ; falowych (λ, f); różnicowych (ΔX, Δt) lub porównywalnych parametrów, gdzie dana jest pewna prędkość wzorcowa przy danych czasach (T, t). V = UT/t A’ A g

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 3/21 Wracając jednakże do podstawowej definicji kinematycznej określającej ruch ciał masywnych, punktów materialnych, cieczy, gazów oraz fal opisywanych w ramach mechaniki klasycznej Newtona, zauważamy natychmiast nieusuwalny mankament. Jeśli wybierzemy wielkość prędkości ruchu między punktami statycznymi A i B w układzie współrzędnych kartezjańskich ( X, t ): V = X/t Wówczas wyznaczenie prędkości może być wykonane jedynie w sposób pośredni. Musimy poznać współrzędne czasu i położenia lub zmienne kanonicznie sprzężone ( pęd – położenie, czas - energię ).W klasycznej metodzie wielkości ( X, t ) są jednoznacznie określone z dowolną dokładnością. Istnieje zatem jednoznaczny wektor pędu dowolnego obiektu w przestrzeni. W metodzie pomiaru kwantowego mamy do czynienia z diametralnie odmienną sytuacją. Każdy akt pomiaru dokonany na fali lub cząstce ( oba obrazy są sobie równoważne ) obarczony jest przez nieuchronne zasady nieoznaczoności kwantowych Heisenberga. Sugerują one wprost niemożliwość równoczesnego istnienia zmiennych kanonicznych o dowolnej dokładności. W związku z czym jakikolwiek pomiar kwantowy prędkości propagacji fali elektromagnetycznej w próżni nie daje szansy uzyskania liczby absolutnej! Zatem każdy wynik będzie słabym przybliżeniem niewymiernej wartości stałej C. Z praktyki eksperymentalnej wiemy, iż otrzymane szereg liczb tworzą zbiory statystyczne. Najliczniejszą grupę wyników stanowią liczby zbliżone do wartości średniej. Czy w związku z tym należy stałą elektromagnetyczną C zinterpretować jako wartość średnią, lub średnią geometryczną iloczynu ekstremów prędkości? Jak sądzić można z poczynionych rozważań taka interpretacja nie jest pozbawiona sensu. Wracając do omawianej metody klasycznej przypomnijmy najważniejsze pojęcia. Obserwator inercjalny A umiejscowiony w środku układu współrzędnych kartezjańskich dysponować musi przyrządami pomiaru długości i czasu. Wiadomo z praktyki pomiarowej, że wyznaczenie zmiany dowolnej wielkości obarczone jest szeregiem błędów systematycznych (dokładność przyrządów) i przypadkowych wynikających z zachodzących okoliczności w trakcie trwania eksperymentu. Nie możemy zatem otrzymać w żaden sposób wielkości idealnych w jakich zapisane są wzory matematyczne, wyrażające prawa fizyki. Już z tego powodu niemożliwe jest uzyskanie wyników odzwierciedlających istnienie wielkości absolutnie stałych czyli niezmiennych w czasie, przestrzeni i środowisku zdarzeń. Co rozumiemy przez pojęcie drogi? Najczęściej jest to odległość geometryczna w przestrzeni metrycznej, euklidesowej, między punktami A i B opisana w systemie osi kartezjańskich. Interwał przestrzenny wyrażamy wzorem: S = √(x + y + z ) (6) Zakładamy więc dla przestrzeni próżni takie arbitralne przypuszczenie o jej euklidesowej charakterystyce. Odległość AB jest taka sama jak odległość BA i wyraża zasadę symetrii odległości w przestrzeni. AB = BA Przez czas rozumiemy odstęp geometryczny między dwoma zdarzeniami zachodzącymi w przestrzeni objętej układem kartezjańskich współrzędnych. O czasie w sensie fizycznym decyduje wyłącznie konwencjonalny jego charakter. Znane definicje czasu odnoszące się do kolejności związków przyczynowych zachodzących między zdarzeniami mają status umowny. Przyjęto zatem stosować w fizyce całkowicie umowny wzorzec czasu jednej sekundy w międzynarodowych jednostkach miar SI. Przyroda nie dostarcza nam obecnie żadnych danych , po temu, aby sądzić coś o istnieniu czasu uniwersalnego na skalę kosmologiczną, a więc jednego rytmu dla wszystkich punktów przestrzeni. Nawet oszacowany wiek wszechświata na ok. 14,5 mld lat wyprowadzono wyłącznie z założeń brzegowych, i nie wydaje się, aby miał obiektywne znaczenie. Ponieważ moglibyśmy postawić pytanie: co było przed początkiem wszechświata? Należy raczej sądzić, że czas kosmologiczny nie ma zwyczajnej miary w odniesieniu do naszych umownych wzorców. Szczególna Teoria względności, której poświecimy więcej miejsca, miała za istotny cel sformułowanie niesprzecznych definicji przedziału czasu i równoczesności występowania zdarzeń na podstawie kryterium stałości prędkości światła w systemach inercjalnych. Czytając argumenty podyktowane przez Einsteina w artykule „O elektrodynamice ciał w ruchu” ma się nieodparte wrażenia obcowania z tautologią. Do ustalenia prędkości fali używamy definicji przyjętej na zasadzie uprzednio wprowadzonej stałej prędkości światła. Zdanie to wykazuje jawne cechy tautologii lecz wynika ono wprost z procedury podanej przez Einsteina.„Na podstawie doświadczenia przyjmujemy, że wielkość 2AB/(t – t ) = C AB 2 2 2 A’ A

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 4/21 jest stałą uniwersalną (prędkość światła w pustej przestrzeni).” Przedział czasu Δt został wprowadzony w układzie spoczynkowym gdzie poszczególne czasy zsynchronizowano sygnałem świetlnym o założonej na wstępie stałej prędkości: t – t = t – t t ; t – jak wyżej t – czas odbicia światła w punkcie B, t’ – czas potrzebny na dotarcie z punktu B do A po czasie odbicia.(7) Z powyższego wywodu wynika, że nie istnieje fizyczna możliwość podania niesprzecznej definicji ani nawet obiektywnego wzorca czasu. Nie ma zatem takiego stanu w przyrodzie, który mógłby posłużyć jako układ wyróżniony do określenia upływu czasu powszechnego. Jak widzimy, nawet rozumowanie Einsteina nie daje nam takiej szansy. W zagadnieniach kinematyki przyjmujemy najczęściej geometryczną postać czasu. Czas w tym ujęciu jest określony jako jeszcze jedna oś współrzędnych. Natomiast czas traktowany jako zmienna we wzorach przybiera wartości liczbowe, posuwając się gładko za krzywą łączącą dowolne dwa punkty. Z ustaleń termodynamiki przyjmujemy, że postęp upływu czasu określa strzałka czasu. Jest to wyróżniony w przyrodzie kierunek rozwoju zdarzeń uporządkowanych poprze sekwencję następstwa realizacji . Na zdarzenia patrzymy od punktu leżącego w przeszłości do przyszłości. Regułą tą respektuje mechanika klasyczna, oraz w mniejszym zakresie teoria względności. O możliwości realnego występowania związku przyczynowego miedzy dwoma zdarzeniami odległymi w przestrzeni, decyduje bariera prędkości przenoszenia sygnałów biegnących z informacją o zmianie stanu. Punkty zbyt odlegle w przestrzeni, aby mogły być powiązane relacjami w czasie dostępnym dla obserwatora kognitywnego pozostają poza zasięgiem zjawisk kauzalnych. Zgodnie z kierunkiem strzałki czasu skrępowani jesteśmy przez fundamentalny zakaz , nie realności cofania się kolejności zdarzeń. Pojęcie czasu w fizyce ma charakter konwencji nie pozbawionej logicznej konieczności, będąc wielkością homeomorficzną z geometrią euklidesową. Posiada zatem identyczną strukturę, którą charakteryzują następujące pojęcia: jednostajność, gładkość, jednorodność, nieskończona gęstość punktów, nieograniczoność, liniowość. W szczególnej teorii względności czas utracił newtonowską autonomię od przestrzeni euklidesowej, wchodząc w skład jednorodnego czterowymiarowego czasoprzestrzennego kontinuum. Warto zauważyć, że zmienna czasu przybiera w zadaniach wartości ze zbioru liczb rzeczywistych. W mechanice kwantowej występuje natomiast jako niezależna wielkość nie ujęta w żaden operator. Nie spotkałem jeszcze w literaturze, aby czas wyczerpywał elementy innych zbiorów liczbowych, ani obiektów matematycznych (macierze, tensory, wektory, spinory, liczby zespolone), sądzę zatem, że aspekt ten warty jest rozważenia. Reasumując powyższe rozważania przyjmujemy co następuje. W celu wykonania pomiaru prędkości światła w kontekście kinematycznym zatwierdzonym przez Einsteina, używamy metody pomiaru pośredniego, wynikającego z pomiaru dwóch zmiennych ( X, t ). Pomiar prędkości wymaga już tylko zastosowania prostego obliczenia ze wzoru: C = X/t; Widzimy, że taka procedura pomiaru pośredniego zawiera w sobie dwa konieczne elementy konstrukcyjne. Po pierwsze zakładamy pewną konwencje matematyczną opisaną wybranym wzorem przez obserwatora A. Jest to więc aspekt idealny wymyślony przez teoretyka. Drugą część stanowi treść fizyczna ustalona w ramach związku zmiennych z przestrzenią zdarzeń. Możemy wiec wysunąć wniosek: ta sama wielkość daje się opisać różnymi formułami matematycznymi, które potencjalnie mogą doprowadzić do odmiennych wyników liczbowych. Od kiedy zaakceptowaliśmy ważność nieokreśloności Heisenberga, musimy liczyć się z niepewnością procesu pomiaru kwantowego, który odrzuca klasyczna wizję punktowej lokalizacji wielkości dynamicznych w przestrzeni współrzędnych kartezjańskich. Zdając sobie sprawę z tej zasadniczej granicy jaka dzieli obiekty mikroświata od poziomu makroskopowego, całkowicie arbitralne jest stanowisko, że zachodzi prosta równość miedzy wielkościami definiowanymi w różny sposób. Oto przykład równości obowiązującej we współczesnej fizyce. V = X/t = dx/dt = ΔX/Δt = λf = √εμ = C = const W oznaczonym przypadku chodzi o prędkość światła w próżni obliczalną na podstawie często stosowanych formuł. Pomimo panującej w nauce zgody, uznana obecnie fizyka klasyczna ( łącznie OTW ) nie podaje B A A’ B’ A’ A B B

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 5/21 żadnego dowodu na poparcie prawdziwości powyższego równania. Jest to stan wiedzy przyjęty za prawdę, jako obowiązujący aksjomat. Nieco inaczej traktuje problem elektrodynamika kwantowa QED, o czym powiemy później. Jeśli chcemy określić prędkość fali w próżni to wiemy ze nie istniały dziś metodologie absolutnego pomiaru, które mogą dać jedynie prawdziwą wartość. Liczby otrzymane w toku stosowania rozmaitych procedur doświadczalnych mogą się znacznie różnic od siebie. Możemy jednak zażądać , aby wszystkie znane formuły teoretycznie dawały identyczny wynik. Będzie to w konsekwencji zabieg sztuczny. Prędkość światła mierzona w paradygmacie klasycznym nie musi być tożsama z prędkością mierzalną w układach mikroskopowych podlegających wpływom stałej h Plancka. W dostępnej nam obecnie literaturze uwagi tego rodzaju nie były rozważane. W równaniu na wielkość C nie uwzględniliśmy jeszcze dodatkowej komplikacji, mianowicie sytuacji kinematycznej, kiedy to źródło światła pozostaje w ruchu wobec obserwatora. Kanoniczne rozwiązanie tego problemu stało się asumptem do sformułowania szczególnej teorii względności przez Alberta Einsteina. Jeśli założyć, że światło stanowi kompleks falowo – korpuskularny o znikomo małej masie pojedynczego fotonu, który przemieszcza się jednostajnie miedzy dwoma dowolnymi stałymi punktami AB przestrzeni, przyjmujemy, że wielkość C jest prawidłowo określona wzorem: V = X/t = C = const Nawiązałem tutaj wprost do formuły podyktowanej przez Einsteina. Zauważmy od razu istotny szczegół. Z mocy definicji pomiar C będzie możliwy, tylko wtedy, gdy dokładnie poznamy „sztywną” geometrycznie drogę X miedzy punktami AB, oraz dokładny czas przemieszczenia fotonu. Zwrot „ sztywna droga „ jest bardzo ważny i oznacza wprost najkrótsza odległość miedzy punktami stałymi. Ponadto , co gorsza, pomiary pary ( X , t ) nie da się w rzeczywistości przeprowadzić równocześnie. Fakt ten jest na ogół pomijany milczeniem. Z konieczności pomiar pośredni dokonuje się niejako w pewnym nieokreślonym czasie Δt zawieszenia. Najpierw odkreślamy punkt na osi czasu, a następnie przykładamy miarę długości miedzy punktami przestrzeni. Proces ten wymaga przynajmniej zaistnienia elementarnego upływu czasu dt. Zakładamy, że dt postępuje w kierunku liczb dodatnich osi współrzędnych. Pojęcie drogi przebytej przez światło jest czysto umowne i sugeruje wyobrażenie linii prostej w tradycyjnej geometrii. Wiadomo jednakże z ustaleń mechaniki kwantowej ,że nie istnieje dla fotonów tak jednoznaczna figura , jak klasyczna trajektoria ruchu. Dylemat jest znacznie głębszy, bowiem sięga pytania o to jaka teoria lepiej opisuje rzeczywistość fizyczną: mechanika kwantowa, czy teoria relatywistyczna? W obecnym stanie wiedzy spór ten nie został rozstrzygnięty na korzyść jednej ze stron. Zunifikowana wersja obu teorii w postaci elektrodynamiki kwantowej, pomimo swej użyteczności, opiera się na nie zadowalającej teoretycznie procedurze renormalizacji. Natomiast próba powiązania ogólnej teorii względności w formie zaproponowanej przez Einsteina z mechanika kwantową w interpretacji kopenhaskiej, jest nadal zadaniem nie wykonalnym z powodów zasadniczych sprzeczności dwóch paradygmatów fizyki. W dalszym etapie wypowiedzi pozostanę przy problematyce, jaka nasuwa się przy czytaniu pionierskiej pracy Einsteina z 1905 roku: „ O elektrodynamice ciał w ruchu.’’ Z treści słynnego artykułu dowiadujemy się przede wszystkim o zachowaniu się światła wobec obserwatora inercjalnego. Obserwator taki posiada określone cechy: ulokowany jest w środku układu współrzędnych mając do dyspozycji przyrządy pomiaru czasu i odległości w przestrzeni euklidesowej. W pierwszej pracy o elektrodynamice nie ma jeszcze ani słowa o pojęciu geometrycznej czasoprzestrzeni. Dopiero pewna odmiana geometrii pseudoeuklidesowej wynalezionej prze matematyka Hermana Minkowskiego łączy dotąd traktowane odrębnie pojęcia w jeden twór geometryczny. Jak już wspomniano w drugim postulacie szczególnej teorii względności zawarto kwintesencje myśli relatywistycznej. Prędkość światła w próżni to stała uniwersalna. Dowiadujemy się nawet więcej: prędkość ta jest niezależna od długości fali, częstotliwości, prędkości ruchu obserwatora, lokalizacji przestrzennej i czasowej źródła względem obserwatora. Można dziś sądzić , że podstawą do takiego przypuszczenia był rezultat otrzymany przez Michelsona w ramach badań nad własnościami promieni światła podlegających działaniu szybkiego ruchu obrotowego planety Ziemi. Jednakże należy podkreślić, że Einstein nie wypowiedział tego argumentu wprost... Dlaczego właśnie tak światło rozchodzi się w przyrodzie? Nasuwa się jedna racjonalna odpowiedź. Uznaliśmy za rzecz wygodną przyjmować w naszych obliczeniach jedną wielkość C. Dokonaliśmy apriori nie całkiem poprawnego założenia, które w swej istocie zrównuje dla celów doświadczalnych stan ruchu źródła światła ze stanem bezruchu. Wówczas powstaje zupełnie naturalne twierdzenie o jednej prędkości światła. Pomimo szczegółowego rozważenia zagadnień z dziedziny elektrodynamiki, Einstein nie podał wiążącej odpowiedzi na to zasadnicze pytanie. Jest także rzeczą godną uwagi, że nie znajdujemy w jego artykule żadnej semantycznej definicji kluczowego dla teorii pojęcia światła. Wydaje się zatem, że rozumiane było ono w sposób intuicyjny, w oparciu o teorię falową wzmocniona przez domniemanie istnienia skończonych elementów korpuskularnych. Zapewne dlatego zdecydowano się na niektóre aspekty kinematyki cząsteczkowej ( jak definicja kinematyczna prędkości, oddziaływanie na ciała masywne ) przy pewnym odwołaniu się do zjawisk falowych ( jak zasada poszerzenia dopplerowskiego). Rozważania spisane w „ elektrodynamice ciał w ruchu” , raczej faworyzują cząsteczkowa teorię światła, której pełniejszy wyraz

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 6/21 znajdujemy w bliskiej chronologicznie pracy: „O heurystycznym punkcie widzenia w sprawie emisji i przemiany światła”.(8) Częściej czytamy o promieniu światła, sygnałach lub fali sferycznej wysyłanej z punktowego źródła. Spróbujmy teraz za pomocą doświadczeń myślowych ujętych w zasady matematyczne, oraz niekwestionowane zasady fizyki, udowodnić prawdziwość drugiego postulatu szczególnej teorii względności. Rozumowanie przeprowadzimy w kilku etapach. Rozważmy zatem następujący przypadek. Załóżmy, że obserwator inercjalny A wysłał falę sferyczną określoną przez równania maxwellowskie ze środka układu współrzędnych. Z teoretycznego punktu widzenia, chcąc dowiedzieć się jaką prędkość będzie miało światło w dowolnych punktach przestrzeni, { B, C, D ... } musielibyśmy odwołać się do pomiarów lokalnych, które mogą zrealizować poszczególni obserwatorzy znajdujący się w wymienionych punktach przestrzeni. Z zasady względności mamy prawo wnioskować, że prędkość fali sferycznej rejestrowana w tych punktach będzie jednakowa z wartością C wyznaczoną przez relacje Maxwella: εμC = 1 V = V = V = V = ... = V = C C = const. Spróbujmy jednakże odwołać się do pomiarów lokalnych, dostępnych wyłącznie dla obserwatorów: B, C, D .... n, którzy nie posiadają informacji ostanie wiedzy obserwatora A. Muszą zatem wykonać pomiary według procedury kinematycznej uprzednio opisanej. Jeśli znajdują się jako punkty nieruchome na sferze fali świetlnej, powinni otrzymać wyniki zgodne z wiedzą obserwatora A. Zakładamy tutaj, że prędkość V nie ma związku z czasem trwania pomiaru, oraz odległością przestrzenną między obserwatorami a źródłem. C ( T, X ) = C = const Nadal rozumiemy, że jest to tylko nasze arbitralne założenie, gdyż nie znamy pełnej natury fizycznej przestrzeni ( próżni ). Rozważmy przypadki najbardziej ogólne. Po pierwsze zrównujemy ruchy punktów w przestrzeni ze stanem bezruchu względnego, czyniąc zadość założeniom zasady względności. Obserwatorzy lokalni { B, C, D ... n } pozostają w ruchu jednostajnym z prędkościami dowolnie obranymi: 2 A B C n

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 7/21 { V , V , V ...V } wobec obserwatora zawieszonego w punkcie A, środka układu współrzędnych. Wymienieni obserwatorzy stosują się do I zasady dynamiki Newtona. Zapytajmy teraz : ile powinny wynosić wskazania prędkości światła w poszczególnych stanach lokalnych, gdy obserwatorzy poddani są ruchowi ciągłemu wzdłuż prostych, względem źródła światła w punkcie A. Nadal musimy korzystać z zasady względności. Każdy z mierniczych ma prawo sądzić, że pomiary prędkości światła będą identyczne z prędkością światła wyemitowanego przez źródło A, ponieważ taką właśnie falę zarejestrował nieruchomy obserwator. V = V = V = V = … = V = C C = const W naszym rozumowaniu odwołajmy się jednak do stanu wiedzy obserwatorów lokalnych. Jeśli nie zastosują oni zasady względności, będą musieli wykonać pomiary zgodnie z przyjętymi regułami. Tutaj pojawia się rzecz niezwykle istotna dla dalszego toku rozumowania. Chcąc pomierzyć drogi przebyte przez światło między punktami w odpowiednich przedziałach czasu, AB, AC, AD, ... An należy dokonać myślowej ewolucji o fundamentalnych następstwach. Wszyscy obserwatorzy mogą uchwycić ruch światła tylko w kontekście zmiany swego położenia w statycznym układzie współrzędnych obserwatora A. Pomiar dróg przebytych przez światło może być wykonany tylko wtedy gdy zawiesimy ruch w punktach lokalnych, aby ustalić odpowiednie odległości metryczne zgodnie ze wzorem geometrycznym: S = √ (X + Y + Z ). Pociąga to za sobą konieczność chwilowego Δt zerwania z ruchem ciągłym obserwatorów ruchomych. W rzeczywistości takie zdarzenie nie może mieć miejsca, gdyż oznacza ono, że ruch w czasie Δt rejestrowany z prędkością V jest tożsamy z spoczynkiem względnym. Jeśli zaprzestano ruchu w punktach to musimy uznać, że V = 0 ! co jest sprzeczne z przyjętym założeniem. Jak łatwo przewidzieć pomiar prędkości światła w punktach ruchomych obserwatorów lokalnych, będzie równoważny pomiarom w sytuacji wzajemnego spoczynku w układzie współrzędnych. Wynika stąd wniosek, że prędkość C „zjawi się” w naszych pomiarach jako wielkość „absolutna” i niezależna od czynników fizycznych związanych z ruchem jednostajnym. C = C ( V , T, X ... ) C = const ! Tak rozumiana jest prędkość światła C w ramach szczególnej teorii względności. Przyjmując do wiadomości B C D n A B C n n n 2 n 2 n 2 n n

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 8/21 , że teoria ta prawidłowo odzwierciedla zasady działania przyrody musimy przyznać prędkości C status fundamentalny. Reasumując nasz powyższy wywód: wykazujemy oto w sposób teoretyczny – stałość prędkości światła w układach inercjalnych i jej niezależność od ruchu względnego, oraz położenia obserwatora w przestrzeni. Rozumowanie to wydaje się być całkowicie poprawne i naukowo doniosłe , jako ścieżka prowadząca do świata przyrody, bez konieczności realizacji dużej liczby doświadczeń jednostkowych. Nie musi tak być w rzeczywistości, ponieważ oznaczałoby to potrzebę zrównania stanu spoczynku źródła względem obserwatora inercjalnego ze stanem ruchu ciągłego źródła światła. Wiemy z definicji, że oba stany fizyczne należą do odrębnych klas zjawisk naturalnych. Nawet wówczas, gdy w poszczególnych przypadkach stosujemy powszechnie uznaną w nauce procedurę abstrahowania. Pomijamy bowiem te czynniki układów eksperymentalnych, które nie wpływają istotnie na wynik końcowy. Nawet wówczas, gdy zasada względności nie podaje jednoznacznego kryterium rozstrzygania o odrębności fizycznej tych dwóch stanów, nie wynika z tych faktów wniosek o konieczności uznania ich tożsamości. Rozważmy jeszcze jeden przypadek. Niech obserwator A ulokowany w środku układu współrzędnych, wyśle sygnał świetlny do punktu B będącego w ruchu jednostajnym o prędkości U w przestrzeni. Przyjmujemy za pewnik, że odległość przestrzenna jest miarą symetryczną. Odległości mierzone w przeciwnych kierunkach po jednakowej drodze są sobie równe. AB = BA Odległość AB wyrazimy w oparciu o drogę przebyta przez promień światła w czasie t. AB = C t Natomiast drogę zakreśloną przez punkt B podążający z prędkością U w czasie T, wyznacza związek: BA = UT AB = BA = UT = C t X = UT Chcąc zadość uczynić II postulatowi STW, (9) możemy bez szkody dla ogólności równania , dobrać taki czas t, aby uzyskać jedną wielkość prędkości światła niezależną od wartości parametrów ( U ,T ). UT/t = C = const Jak widać stała Co może uniwersalnie funkcjonować w układach względnego spoczynku, jak też względnego ruchu. Natomiast czas t należy rozumieć, jako względna wielkość zależną. t = F ( C , T , U ) Spójrzmy jednak na problem z innej strony. Z uwagi na oddalanie się B od punktu A z prędkością jednostajną U , na mocy STW działa prawo dylatacji czasu. o o o o

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 9/21 T = T/√( 1 – [U/C ] ) (10) Jeśli obserwator A wyśle promień światła w czasie T tak, aby dotarł do punktu B, to w układzie tym obserwator B poruszający się z prędkością U odmierzy na skutek dylatacji czasu punkt T1. Porównując drogi światła dla dwóch obserwatorów niezależnie, przy uwzględnieniu różnicy wywołanej dylatacją czasu mamy następującą sytuację. Obserwator B na mocy zasady względności ma prawo pomyśleć, iż pozostaje w spoczynku, natomiast układ A porusza się jednostajnie z prędkością U w kierunku przeciwnym. AB = C T BA = C {t√( 1 – [U/C ] )} = C T AB = BA C T = { C t/√(1 – [U/C ] /T)T C = C /√(1 – [U/C ] ) Na pierwszy rzut oka wydaje się, że otrzymany wynik jest dramatycznym następstwem prawidłowych założeń, gdyż konsekwentnie łamie drugi postulat STW. Otrzymaliśmy w punkcie B prędkość pozorną światła C która jest inna od stałej wyznaczonej dla układu A. Postawmy sobie zatem pytanie – czy w naszym postępowaniu zaistniał paradoks, skoro w oparciu o zasady STW , (11) znajdujemy skutek odmienny od przyjętego założenia? Wydawałoby się, że nasze wnioski przeczą założeniom czyniąc z naszego rozumowania paradoksalną rzeczywistość. W rzeczy samej jest to jedynie pozorna sprzeczność. Obserwator B ma bowiem do wyboru dwie niezależne odpowiedzi. Może zgodnie z kanonem obowiązującym w STW uznać równość wielkości Co rejestrowanej w obu układach. Natomiast z punktu widzenia obserwatora B mamy prawo policzyć wielkość Cn w jego układzie z czasem lokalnym T. Nie będzie wówczas formalnych przeszkód do stwierdzenia prawomocności alternatywy: C ≠ C ^ C = C Z powodu znikomo małej wartości współczynnika U/C ≈ 0, dla małych U, nasze postępowanie jest nadal zupełnie zadawalające. Możemy konsekwentnie powiedzieć, że otrzymaliśmy wystarczająco dobre przybliżenie stałej. C ≈ C ≈ const Natomiast zgoda na zachowanie symetrii Lorentza pomiedzy dwoma obserwatorami, z teoretycznego punktu widzenia jest rozwiązaniem znacznie prostszym logicznie, od założenia omówionej wyżej asymetrii percepcji prędkości fali. Dlatego symetria Lorentza (12)zakodowana jest tak głęboko w strukturę STW. Przywykliśmy do tego schematu konceptualnego, gdyż odzwierciedla najlepiej dane eksperymentalne. Przede wszystkim jednak należy pamiętać o tym, że pojecie drogi światła odnosi się do sztywnego wzorca , co uprzednio tak dobitnie zaakcentowałem. Z punktu widzenia metodologii pomiaru odległości miedzy punktami w przestrzeni, oznacza to faktyczną równoważność dwóch kinematycznych sytuacji źródeł światła: względnego spoczynku, oraz ruchu jednostajnego. Zatem w obu układach znajdziemy jednakową prędkość fali elektromagnetycznej. C = const W rozumowaniu tym tkwi jeszcze jedno bardzo ważne niejawne założenie o samoistnym bycie fal elektromagnetycznych. Gdyby bowiem fale te wykazały analogie do fal akustycznych, poglądy relatywistyczne Einsteina byłoby całkowicie błędną hipotezą. Pomimo otrzymanego drogą dedukcji rezultatu zbieżnego z teorią względności, nie posiadamy dostatecznie 1 o 2 0 o o 2 o 0 o 0 2 n 0 0 2 n n 0 o n 0 0 n o

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 10/21 pewnej podstawy, aby dotąd twierdzić coś o absolutnych cechach światła, które mogą wyróżniać jakoś szczególnie spośród pozostałych obiektów mechanicznych przyrody. Stałoś prędkości światła w układach inercjalnych wymuszona bowiem została przez ograniczenia metodologii pomiaru klasycznego. Według zaproponowanej przeze mnie analizy problemu metoda ta nie powinna stanowić o ostatecznym rozwiązaniu. Wyraziłem pewne wątpliwości moim zdaniem dość przekonywujące. Prędkość światła jest zjawiskiem czysto geometrycznym, wyrażającym nasze wyobrażenia o czasie i przestrzeni, które zostały sformalizowane w pojęciach abstrakcyjnych czystej matematyki, oraz użyte do opisu zjawisk kinematycznych przyrody. Są zatem rodzajem konwencji obowiązującej w fizyce. Przytoczę jeszcze jeden przykład innego spojrzenia na ten sam problem. Załóżmy nieliniowy model percepcji ruchu fotonów światła w przestrzeni euklidesowej. Aby uniknąć pułapek pojęciowych jakie ukazano uprzednio w swej złożoności, potraktujmy nieco inaczej bieg fali niż wymaga tego standardowa analiza. Załóżmy bowiem, że światło tworzy fale stojącą rozpiętą miedzy punktami AB, z których jeden doznaje ruchu z prędkością jednostajną U. Długość fali stojącej L będzie równa odległości przestrzennej miedzy punktami AB. Wraz z oddalaniem się B od A z prędkością U następuje rozciągniecie fali do rozmiaru L. Takie postępowanie eliminuje, jak sądzę , konieczność pomiaru drogi AB w umownym zawieszeniu ruchu, co było istotą uprzednio omawianych przypadków. Załóżmy dalej teoretyczny model nieliniowy wiążący długość fali L z ruchem punktu B z prędkością U, oraz prędkością światła C wyznaczona w układzie statycznym ( pseudokinematycznym ). Niech w układzie statycznym obowiązują wartości następujące: UT = C t = X C = const, t = F ( C , U , T ). Mamy teraz sposobność skorzystania z danych potrzebnych do modelowego opracowania sytuacji abstrakcyjnej. Staramy się bowiem ominąć dylemat ruchu fali w modelu klasycznym. Wprowadzimy zatem nowy czas t , po którym nastąpi ekspansja z prędkością C . Zakładamy, że dla ruchu ciągłego spełniona będzie nierówność: L ≠ X Do tego celu konstruujemy następujący zestaw równań: (a) C t + Ut /t = C t (b) C t - Ut /t = C t /C Równanie (a) opisuje teoretyczną sytuację ekspansji długości „fali stojącej” do długość L na skutek ruchu B wzdłuż wektora prędkości +U. Równanie (b) opisuje aspekt kurczenia się „fali” do długości L z prędkością -U wobec obserwatora B. Przez symbol t oznaczono czas jaki potrzebny jest do osiągnięcia odległości L. Natomiast C symbolizuje prędkość z jaką pokonujemy L w czasie t . Rozwiązaniami zaproponowanego zestawu mogą być zbiory pierwiastków o wartościach rzeczywistych , bądź zespolonych. Ograniczymy nasza analizę Do ciała liczb rzeczywistych. C (t/t ) – U (t /t ) = C t = F( C , U , t ) C = C (t/t ) + U(t/t ) C ≠ C j j o o o o o n o 2 o n o o 2 o o 2 o n j o o j n j o o 2 o 2 2 2 0 2 o 2 o o n o o o 2 n o

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 11/21 Przykład ten tylko pozornie narusza symetrie Lorentza, ponieważ odnosi się do innego systemu pojęć, niż zastosowano w oryginalnych transformacjach. Dodatkowo wprowadzony czas to , nie dotyczy pojęcia czasu związanego z uniwersalną stałością C . Otrzymaliśmy teoretyczna prędkość C światła w próżni w takcie ruchu źródła z prędkością jednostajna U, całkowicie niezależną od schematu pojęciowego STW. Tych dwóch odmiennych systemów nie należy utożsamiać ze sobą. Dlatego uzyskany tym sposobem rezultat nie powinien być traktowany jako sprzeczny z ustaleniami teorii względności. Model ten jest bowiem na tyle pojemny, że dziki prostym przekształceniom możemy z powodzeniem powrócić do pierwotnego aspektu pseudokinematycznego występującego w dziedzinie relatywistycznej. X ≠ L C t = U(C t /U – t /t ) = UT C t = U( C t /C U + t /t ) = UT t = V( C , T , U ) Tak wiec konstruując różne modele matematyczne, oraz odmienne wyobrażenia, którymi chcemy scharakteryzować bieg światło, dochodzimy do odmiennych, ale poprawnych z logicznego punktu widzenia liczb określających prędkość propagacji fali elektromagnetycznej w próżni. Zamierzając konsekwentnie odpowiedzieć na pytania zawarte w tytule tej pracy , obrałem sobie za zadanie próbę obiektywnego rozważenia, bez wstępnych uprzedzeń podyktowanych ugruntowana już pozycją teorii względności, ważną moim zdaniem kwestię. Czy drugi postulat teorii mówi coś o absolutnej naturze światła będąc wiedzą o samej przyrodzie, czy posiada cechy konwencji , przyjęty umownie w celu uzyskania maksymalnej prostoty opisu praw przyrody? Nie jest paradoksalne stwierdzenie , że zasady fizyki zawierają w swych stwierdzeniach elementy czystej konwencji ( umownych definicji i pojęć), aczkolwiek sensownych z semantycznego punktu wiszenia. Ponadto odnoszą się one do rzeczywistości materialnej w jej przejawach wyrażających skończoność i ograniczoność zachodzących procesów. Sadzę, że taką funkcje pełni stała relatywistyczna podyktowana fizyce przez Einsteina. Mówi ona o niezmiennej, fundamentalnej niezależności praw elektromagnetycznych Maxwella od ruchu układów inercjalnych. Jest to podstawa tezy, wedle której uznajemy poglad o granicznej prędkości rozchodzenia się oddziaływań materialnych. Chociaż fizyka nie podaje definicji samej materii, wierzymy, że stanowi ona tworzywo znanych nam zjawisk naturalnych, które musi charakteryzować przestrzenne i czasowe ograniczenie, permanentna skończoność i nieustający ruch wszystkich ciał. Odrzucamy zatem istnienie absolutnego spoczynku, wyróżnionego stanu, i uprzywilejowanego miejsca w przestrzeni euklidesowej, według którego powinniśmy opisywać świat przyrody. W prostej konsekwencji poczynionej tutaj analizy jestem przeświadczony, że funkcje „ absolutnego układu inercjalnego”, czyli takiego, który obieramy za punkt wyjścia do opisu praw przyrody, pełni w teorii względności, właśnie promień światła. Być może to niejawne założenie Einsteina było tak bardzo oczywiste, że jego semantyczny sens uchodził naszej uwadze. Jeśli nawet zgodzić się z poglądem ogólnym, że zasada względności zaczerpnięta od Galileusza i z powodzeniem zmodyfikowana przez Einsteina, jest niezaprzeczalnie słuszna wobec wielu obserwacji poczynionych w doświadczeniach jednostkowych w ramach: mechaniki, optyki i elektromagnetyzmu, narusza ona, w moim przekonania bardziej fundamentalną zasadę zachowania informacji o stanie układu fizycznego. Redukuje bowiem w swej istocie wszystkie układy inercjalne do stanu pozornego bezruchu w układzie spoczynkowym obserwatora inercjalnego. Jest zatem zrozumiale, że zasada stałości prędkości światła jest silnie związana z zasadą względności. Natomiast, zasada względności ruchu może funkcjonować samodzielnie – bez wyraźnej konieczności odwoływania się do pojęcia stałej relatywistycznej w układach inercjalnych. Można zatem stwierdzić, że drugi postulat teorii względności nie posiada statusu zasady , lecz węższe znaczenie prawa nauki. Jest to podstawowa różnica. Jeśli zasady fizyki wyrażają bezwarunkowo, w sposób najbardziej ogólny, mechanizm przyrody, o tyle, prawa nauki wymagają skorzystania z trybu warunkowego. Zasady ogólne będące fundamentami teorii mają przywilej istnienia bezwarunkowego, pozaczasowego i poza przestrzennego. Inaczej egzystują prawa fizyki. Ich status posiada grupa twierdzeń o charakterystycznej strukturze. Ogólnie można powiedzieć , że formalizują one prawidłowości przyczynowe zawarte w swoim poprzedniku ( zespole założeń P ). Formalnie zapisujemy predykat zdaniowy: P → Q Dane prawo jest słuszne wtedy i tylko wtedy, gdy spełniony zostanie tryb warunkowy. W strukturze prawa nauki, zadajemy pewną prawidłowość przyczynową miedzy zjawiskami, która występuje nieuchronnie w ściśle określonych warunkach. Wydaje się , że w zasadzie stałości C niejawnie zakodowano warunki ogólne: zrównanie ruchu obserwatora inercjalnego z sytuacją bezruchu względnego, ruchu źródła światła ze spoczynkiem względem obserwatora. Takie zawieszenie ruchu powinno zachodzić przynajmniej w czasie infinitezymalnie krótkim. o n o n o 2 o o o 2 o n 2 o o o

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 12/21 dt ≠ 0 Zasada względności pozostaje zatem ważna wszędzie tam gdzie, gdzie jak opis ruchu względnego nie zależy od czasu i miejsca lokalizacji zdarzeń w pseudoeuklidesowej czasoprzestrzeni. Niektórzy fizycy spodziewają się jednak naruszenia tej zasady w pewnym ekstremalnym otoczeniu, gdyż wyrażająca ją symetria Lorentza ( czyli niezmienność praw przyrody względem obrotów i zmian prędkosci) jest blisko spokrewniona z symetrią CPT ( ładunek – parzystość – zwrot strzałki czasu).(13) Wiemy już z doświadczeń nad cząstkami elementarnymi, że odkryto łamanie składowej CPT, ogólnej symetrii parzystości Przynajmniej do roku 1956 żywiono uporczywą nadzieję na uniwersalny charakter zachowania parzystości w świecie, czyli powszechnej niezmienniczości praw względem zmiany znaku ( + , ─ ) osi współrzędnych. Znane wówczas doświadczenia , oraz obowiązujące teorie sugerowały, niezachwiane występowanie parzystości w układach odosobnionych. Fizycy Chen NingYang z Uniwersytetu w Kolumbii i Tsung Dao Lee z Instytutu Badań Zaawansowanych w Princeton (14) ,pracujący nad rozpadem mezonów tau, oraz theta, postawili hipotezę złamania symetrii niezmienniczości praw względem odbić zwierciadlanych w oddziaływaniach elektrosłabych. Pomimo dozwolonej różnicy rozpadów obu cząstek, złamana została zasada parzystości. Pokrewne mezony rozpadały się na cząstki o odmiennej parzystości. Ponad wszelką wątpliwość zarejestrowano, że tau rozpada się na cząstki o parzystości ujemnej, podczas gdy cząstki pochodzące z theta przybierają parzystość dodatnią. Gdyby zasada zachowania parzystości została spełniona owe cząstki powinny mieć wszystkie różnicujące je cechy. Wykazano natomiast rzecz odwrotną. Mezony były identyczne pod każdym względem, a symetria parzystości została złamana! Hipotezę udowodniono na kilku przykładach rozpadu cząstek w oddziaływaniach elektrosłabych. Następne doświadczenie Lee i Yanga sprowadzało się do przypisania równoległych osi cząstkom β emitowanym przez jądra atomów promieniotwórczych, o zadanych spinach. Należało zbadać zatem, wzdłuż których z obranych kierunków osi leci najwięcej elektronów. W doświadczeniu istniała wyróżniona oś, lecz potencjalny zwrot nie był w żaden sposób wyróżniony umownie. Można ustawić spiny jąder tylko przez zewnętrzne pole magnetyczne. Wobec braku dostatecznie silnych pól magnetycznych trzeba było uporządkować momenty magnetyczne atomów. To zjawisko możemy uchwycić tylko w bardzo niskiej temperaturze. W doświadczeniu kierowanym prze Chien Schiung Wu z Uniwersytetu Kolumbia (15) ,schłodzono promieniotwórcze atomy kobaltu Co 60 do temperatury prawie 0,01 K stopnia. Okazało się, że spolaryzowane jądra kobaltu przeważnie emitują elektrony w kierunku przeciwnym do kierunku pola magnetycznego. Według fizyków fakt ten oznacza, że z punktu widzenia elektronów jądra mają wewnętrznie określony zwrot spinu, zgodnie z regułą śruby lewoskrętnej. Zwrot lewy i prawy spinów został wyraźnie określony prze zachowanie elektronów. Znajdujemy stad wniosek o uprzywilejowaniu lewego zwrotu prze atomy kobaltu w warunkach zadanych przez autorów doświadczenia. Na przykładzie naruszenia parzystości przez oddziaływanie elektroslabe, należy podkreślić dobitnie konkluzję, że nasze domniemanie uniwersalności symetrii leżących u podstaw zasad zachowania, nie może być a priori stosowane w każdej dziedzinie zjawisk. Warto w tym kontekście wymienić kila dowodów na asymetrie związane z występowaniem uprzywilejowanego sposobu istnienia materii we wszechświecie. Wiemy z badań astrofizyków, iż odnotowano wyraźną przewagę ilości materii nad antymaterią. Więcej obserwujemy miejsc ciemnych niż jasnych na nieboskłonie. Więcej jest stosunkowo pustych przestrzeni niż ciał niebieskich i obłoków międzygwiazdowych. Widzimy, że galaktyki spiralne cechuje wyróżniona orientacja przestrzenna spirali. Termodynamika wskazuje zaś na jednokierunkowy przepływ strumienia energii cieplnej od miejsc o temperaturze wyższej do obszarów o temperaturze niższej. Powodowani znajomością historii uznaliśmy za możliwy tylko jednokierunkowy bieg wydarzeń i związany z nim ustalony zwrot strzałki czasu. Inne dane dotyczące przejawów asymetrycznej struktury materii pochodzą z terenu mechaniki kwantowej. Wiadomo bowiem, że istnieje stosunkowo duże rozrzedzenie materii cząsteczkowej mikroświata w nadmiarze wolnej przestrzeni. W chemii znane jest zjawisko chiralności budujące molekuły enancjomerów, za wyjątkiem pewnych związków zwanych mezo. Wśród pierwiastków chemicznych dominuje nieliniowy rozkład nukleonów w jądrach. Powyżej liczby atomowej 20 pierwiastki wykazują nadmiar ilości neutronów. Czyni to nuklidy nieparzyste mniej trwałymi niż pierwiastki o nukleonach symetrycznych. Dlaczego zatem natura wybiera nuklidy o wewnętrznej budowie, która nie gwarantuje stabilności? Szczególnie biologia podsuwa nam istotne argumenty na wszechobecne w naturze występowanie spiralności. Przykładem jest choćby wyróżnienie prawoskrętności heliksy w łańcuchu genetycznym DNA. (16) Dotychczas nie znaleziono organizmów żywych, których heliksy byłyby lewoskrętne. Częściej mamy do czynienia z praworęcznością niż z leworęcznością. Częściej też serce człowieka ulokowane jest po lewej stronie krwioobiegu niż po prawej. Zauważamy także złamanie symetrii zwierciadlanego odbicia pomiędzy prawą i lewa stroną ciała. Wszystkie zidentyfikowane ślimaki cechuje jednakowa spiralność. Znane są bakterie, które rozróżniają pomiędzy

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 13/21 drobinami o różnej spiralności, i zjadają substancje wykazujące jedną ze spiralności, mimo że pod względem chemicznym substancje te są identyczne.(17) Rzadkość, jak sadzimy, pojawiania się życia we wszechświecie wskazuje na wyraźna asymetrię ilości masy biologicznej w stosunku do masy nieorganicznej w rozległych obszarach kosmicznej pustki. Niektórzy badacze upatrują w tym stanie rzeczy przejawy dominacji asymetrii w środowisku biosfer z odległej przeszłości, która to została przeniesiona do naszych czasów w akcie dziedziczenia cech pierworodnych. Pogląd ten wydaje się mało przekonywujący. Gdyby bowiem w naszym świecie prymat wiodły symetrie, siła ich wpływu spowodowałaby u organizmów żywych właściwe reakcje w toku trwania ewolucji. Znane nam ustroje wskazują raczej na działanie podstawowych asymetrii. Dla rozwoju astronomii było niezmiernie ważne odkrycie systemu heliocentrycznego przez Mikołaja Kopernika. Nie jest obojętne dla nauki to, czy Słońce obraca się wokół Ziemi, czy ziemia krąży dookoła Słońca. Przez dwa tysiące lat panowało przekonanie oparte na złudzeniu wywołanym względnością ruchu, że Słońce obraca się wokół Ziemi. Prawidłowe wyróżnienie sposobu obrotu sfer niebieskich pomogło dopiero poprawnie zbudować system planetarny i uprościć prowadzenie obliczeń astronomicznych. Planety naszego układu słonecznego krążąc eliptycznie dookoła Słońca posiadają jednakowo zorientowany obroty wokół własnej osi w kierunku lewoskrętnym. Wynika stad wniosek, iż wybór orientacji przestrzennej, oraz kształtu trajektorii przez obiekty naturalne, może mieć związek z efektywnością działania praw natury. Pewne układy odniesienia zachowują się bardziej efektywnie od innych, i są niejako bardziej ekonomiczne, na co zwrócono uwagę w kilku przykładach. Korzystają bowiem z mniejszych zasobów energii w krótszym przedziale czasu. Dlatego właśnie eliptyczne tory planet w polu grawitacyjnym Słońca pozwalają na utrzymanie jednostajnej prędkości polowej, charakterystycznej dla danej planety. W tych „uprzywilejowanych” układach odniesienia prawa fizyki mogą przyjmować postać prostszą od praw jakie możemy sformułować w innych układach. Symetrie idealne mogą być zatem wyłącznie domeną czystej matematyki. Z poczynionych tutaj uwag wydaje się dopuszczalne stwierdzenie, że wszelkie asymetrie dominują liczebnie w świecie ożywionym. Natomiast fakt łamania w mikroświecie symetrii zwierciadlanego odbicia jest nadzwyczaj paradoksalny. Powoduje bowiem konieczność istnienia wewnętrznej anizotropii przestrzeni. Spodziewamy się jednak, ze hipoteza Landaua (18) o zachowaniu inwersji kombinowanej w oddziaływaniach elektrosłabych pomoże przywrócić utraconą symetrię mikroświata. W wielu ważnych zagadnieniach fizyki przyjmujemy jeszcze uniwersalną izotropię przestrzeni, co jest założeniem błędnym przynajmniej w odniesieniu do niektórych przypadków fizyki cząstek. Sytuacja problematyczna dotyczy także ogólnej teorii względności. Podstawowe jej założenie o nie istnieniu układów inercjalnych w polu grawitacyjnym doprowadziło do odkrycia nielokalności energii i pędu w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Energia ma tam aspekt globalny, może pojawiać się natychmiast i znikać bez jednoznacznej lokalizacji przestrzennej. Problem ten nadal nurtuje badaczy. Niektórzy fizycy , jak Fok z Leningradu, w celu uniknięcia tego paradoksu, zaproponowali wprowadzenie do OTW układów quasi- inercjalnych.(19) Wynaleziono pewne procedury tworzenia prostych układów harmonicznych. Zauważono bowiem, że mogą one znajdować się w miejscach o najmniejszym pofałdowaniu czasoprzestrzeni. Wówczas wielkości dynamiczne zyskałyby metodę do wyznaczania przestrzennej lokalizacji w systemie współrzędnych. Z uwag tych mamy powody przypuszczać . że potencjalnie możliwe będzie znalezienie dowodów na łamanie symetrii Lorentza, stanowiącej podstawę prawdziwości teorii względności. O tym ważnym zagadnieniu jeszcze będzie mowa w niniejszej pracy. Podsumujmy tymczasem najważniejsze tezy jakie dotąd wypowiedziano odnośnie postawionego na wstępie pytania. - Drugi postulat STW związany jest logicznie z pierwszym, który daje podstawę do uznania jego prawdziwości. Implikacja odwrotna nie zachodzi. Z faktu stałości C nie możemy wywnioskować tezy o ogólnej symetrii praw fizyki w układach inercjalnych. - Przyczynkiem do sformułowania drugiego postulatu było prawdopodobnie negatywne rozstrzygnięcie doświadczenia Morleya- Michelsona z 1887 roku, o czym Einstein nie zapewnił ani jednym słowem wprost w swej „elektrodynamice ciał w ruchu”. - Postulat ma cechy formalnej konwencji fizyki. Nie jest prostym uogólnieniem powstałym na bazie dużej liczby doświadczeń jednostkowych. Nie ma oparcia w eksperymencie rozstrzygającym. Sam w sobie stanowi umowna definicję zachowania światła w układach inercjalnych. Sprzyja temu stanowisku szerzej omawiana tutaj metodologia klasycznego pomiaru prędkości biegu fali elektromagnetycznej emitowanej z ruchomego źródła. - Nie wyraża osobliwości przyrody – ponadnaturalnej własności światła, wyróżniającej go spośród innych wielkości inwariantnych fizyki. Stała C jest podstawa w teorii relatywistycznej. Nie wystarczy natomiast do stworzenia teorii oddziaływań grawitacyjnych, czy kwantowych, które uważamy za fundamentalne. Nie

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 14/21 znamy obecnie takiego układu równań, w których C byłoby uprzywilejowane pośród stałych uniwersalnych. Z istnienia tej wielkości nie daje się wyprowadzić pozostałych, jak ładunku, stałej grawitacji, stałej Plancka.... - Wobec wyniku eksperymentu dr Wanga (20)) , wartość C w próżni nie można traktować jako ekstremalnej, ani jako prędkości granicznej w ośrodkach gęstych, gdyż wygenerowano wyższą prędkość w oparach cezu. - Nie mamy danych ku temu, aby uważać pomiar klasyczny prędkości za równoważny pomiarowi kwantowemu. Na przeszkodzie do stworzenia tożsamości stoją bowiem niezbywalne nieoznaczoności Heisenberga. Kwantowy pomiar prędkości światła z ruchomego źródła nie może dać jednakowo dokładnych rezultatów z przypadkami pomiaru klasycznego. Dlatego C znamy wyłącznie jako liczbę przybliżoną. Moim zdaniem cechy tej nie da się wyeliminować. Stad wiemy, że C nie może posiadać statusu wielkości absolutnej. - Transformacje Lorentza (21) wymagają istnienia w układach inercjalnych pewnej stałej o wymiarze równym kwadratowi prędkości. Nie podają nam żadnego sposobu na wyznaczenie jej wartości. Zadanie C do równań transformacyjnych ma charakter czysto aprioryczny. Również transformacje Einsteina (22) nie dowodzą nam konieczności podstawienia jednej wartości stałej C do tych równań. - Wszystkie pomiary wartości C wykonano przy założeniu prawdziwości istnienia euklidesowego kontinuum czasu i przestrzeni. Nie mamy dostatecznych powodów, aby podtrzymywać obecnie prawdziwość tego przypuszczenia. Znany fizyk L.L Mandelsztam (23) sugerował, że w skali mikroskopowej nie powinniśmy stosować pojęć czasu i odległości, dających się mierzyć za pomocą wzorców makroskopowych zorganizowanych w ramach jednostek SI. Wielu uczonych ( szczególnie Snyder w pracy z 1947 roku) jest zdania, że przestrzeń w skali mikroskopowej okaże się nieciągła i złożona z odosobnionych punktów. (24) Na przełomie XX wieku hipoteza nieciągłej przestrzeni w skali mikroskopowej stała się nawet jednym z dominujących kierunków badań . - Przyrządy pomiarowe podlegają prawom fizyki, reagując na przeciążenia. Zatem nie sposób zegarów i prętów mierniczych tak wyizolować z otoczenia, oraz zsynchronizować dwóch odrębnych układów doświadczalnych, aby dawały wyniki zgodne. Pomiar czasu dokonany przy użyciu zegara wahadłowego na Ziemi, musi dawać wyniki inne niż ten sam zegar pracujący na Księżycu. Pomiary czasów przy użyciu jednakowych zegarów w różnych środowiskach muszą się znacznie różnić.(25) - Nie istnieje, jak sadzę absolutna metoda odzwierciedlania zjawiska ruchu, która pozwala na wyznaczenie jednego właściwego rozwiązania, znalezienia jednej idealnej liczby, w sensie lokalizacji fotonu z dokładnością do punktu. Na gruncie QED dopuszczamy do realizacji nieskończenie wielu trajektorii ruchu fotonu. - W badaniach ruchu stosujemy arsenał rozmaitych technik obarczonych sobie właściwymi regułami postępowania eksperymentalnego, które dostarczają nam statystyczne zespoły różnych informacji na ten sam temat. Założenie o istnieniu absolutnej wielkości fizycznej jest zapewne konwencjonalną abstrakcją , podyktowaną przez próby poszukiwania rozwiązań najprostszych. Możemy zatem uznać za korzystne , że teoretyczne zrównanie stanu ruchu względnego ze stanem względnego spoczynku, oraz zrównanie prędkości C w tych stanach jest ziszczeniem poszukiwań naukowej prostoty opisu klasy zjawisk relatywistycznych. Pomimo trwających poszukiwań dotychczasowy rozwój fizyki nie wstrząsnął podstawami kinematyki relatywistycznej. Szczególna teoria względności należy do obowiązującego kanonu wiedzy o przyrodzie. Czynione są jednak próby modyfikacji fundamentów teorii przez znanych fizyków, takich jak, Moffat, Smolin, Magueijo, Amelino – Camelia. (26) Wprowadzają oni w swych pracach równania wiążące zespół liczb Plancka z zasadą względności. Istnieje bowiem uzasadniony pogląd , że wpływ efektów relatywistycznych na obserwacje nie powinien naruszyć wielkości tych liczb, ponieważ oznaczałoby to konieczność rewizji np. stałej Plancka. Stąd żywimy pewne nadzieje na postęp w rozumieniu natury wśród powstałych już podwójnych teorii względności. Dla przykładu powiem, że w modelu Magueijo – Smolina mamy oprócz warunkowo stałej wielkości C, zawiera inwariantną wielkość energii Plancka, która nie zmienia się podczas zjawisk relatywistycznych. Udział liczb Plancka wmusza konieczność modyfikacji podstaw STW. Powstają bowiem nowe formuły fundamentalnych praw fizyki. Oto przykład zaczerpnięty z teorii Magueijo-Smolina: E = mC /( 1 + mC /E ), gdzie C oznacza wartość prędkości światła ( w przybliżeniu stałą ), E , jest energia w skali jednostek Plancka.(27) Model Amelino-Camelii obrał długość Plancka m za najmniejszą odległość dopuszczalną w przyrodzie tzw. kwant odległości, poniżej , którego nie obowiązuje teoria Einsteina w oryginalnej wersji z 1905 roku. Na uwagę zasługuje postulat Johna Moffata z Uniwersytetu w Toronto. Założył on bowiem, że grawitony odkryte w ramach ogólnej teorii względności z uwagi na swoją masę spoczynkową równą zero, mogą przemieszczać 2 2 p p

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 15/21 się z prędkościami wyższymi od światła w próżni.(29) Antyinflacyjny model kosmologiczny Magueijo- Albrechta Założył, że w wczesnym stadium ekspansji wszechświata tzw. erze Plancka prędkość promieniowania była krotnością liczny C. Stanowisko to pozwalało przynajmniej wyjaśnić widzialną jednorodność i płaskość wszechświata.(30) Wszystkie te propozycje są ciekawe z teoretycznego punktu widzenia , jednakże na obecnym etapie badań nie mamy przekonywujących dowodów na potwierdzenie prawdziwości przynajmniej jednej alternatywy. Ideał teorii podstawowej, teorii zasad wyobraża nadal szczególna teoria względności. Lecz jeszcze w latach 20-tych XX wieku trwały spory fizyków i filozofów nauki na temat istoty wizji świata stworzonej przez Einsteina. W czasopiśmie pt. „ Tygodnik ilustrowany „ z 1921 roku czytamy trafna moim zdaniem opinię na temat teorii relatywistycznej. „ Einstein założył dla prostoty, że Ziemia porusza się dookoła słońca ruchem jednostajnym, co nie zupełnie odpowiada rzeczywistości. Użył jako jednego z kryterium swoich rozważań, żeby światło i w ogóle energia promienista , zarówno w systemie ruchomym ziemskim, jak i nieruchomym , kosmicznym , przenosiła się jako drgania falowe w ten sposób, jak zakładają teorie ;sprężysta Frensela i elektromagnetyczna Maxwella – Hertza , przy czym prędkość tych fal powinna być bezwzględnie stała, niezależna od ruchu źródła i obserwatora i powinna wynosić ( 300 000 km/s ).” (31) Opinia ta zbieżna jest ze słowami autora , który w swej pracy przywołał doświadczenie myślowe, które zapoczątkowały jego najważniejsze idee. „ Jeżeli ktoś podążałby za falą świetlną z prędkością światła, to powinien zaobserwować statyczne pole falowe. Jednakże coś takiego nie istnieje. To miałby być może pierwszy eksperyment myślowy do sformułowania zasady stałości prędkości światła. Już jednak w głównym dziele zawarł , fundamentalne stwierdzenie. Należy raczej sadzić , że te same prawa elektrodynamiki i optyki pozostają słuszne we wszystkich układach współrzędnych, w których są spełnione warunki mechaniki, co już wykazano dla wielkości pierwszego rzędu. Tę hipotezę nazywać będziemy zasadą względności podniesionej tutaj do rangi postulatu i wprowadzimy jeszcze jeden postulat, tylko pozornie sprzeczny z pierwszym, który stwierdza , że światło zawsze rozchodzi się w próżni z określona stałą prędkością i nie zależy od ruchu ciała emitującego to światło”(32) Z treści przytoczonego cytatu należy wnioskować , że Einstein traktował swoje postulaty dosłownie, jako werbalne desygnaty wyrażające istotne zasady działania przyrody, które warunkują naukowe poznanie. Znane mu fakty pochodzące z doświadczeń jednostkowych , oraz głębokie przekonanie oparte na myślowych doświadczeniach, nabrały rangi generalnej ekstrapolacji na całkowity obszar zjawisk zachodzących we wszechświecie. Postulaty wyrażone w formie matematycznej pełnia funkcję zasad, gdyż przyjęte bez dowodów rozstrzygających ( tzw. „eksperyment krzyżowy” ), stanowią fundamenty do konstruowania dedukcyjnego systemu wiedzy. Zatem ponownie podkreślę, że intuicyjnie prawdziwe tezy wywiedzione z doświadczeń jednostkowych , lub definicje zaliczamy do dziedziny formalnych konwencji fizyki ( pewnych umownych definicji wywiedzionych z skończonej liczby empirycznych faktów lub posiadają znaczenie tylko umowne). Przykładami takich formalnych konwencji są wzorce i jednostki miar stosowane w fizyce, a także układy współrzędnych kartezjańskich, występujące w opisie analitycznym zjawisk przyrody. Uznano ich przydatność do prowadzenia pomiarów i wyrażania praw naturalnych, nadając im cechy niezmiennicze. Mimo to każdy wzorzec jednostki wielkości ulega wpływom czynników fizycznych. Nie możemy mówić sensownie o wzorcach idealnych , bądź wielkościach absolutnych. Niektórzy fizycy wyrażają wątpliwości, czy aby powinniśmy używać identycznych wzorców, czy definicji wielkości, działających na różnych poziomach rzeczywistości? Wiadomo przecież , że klasyczna idea ciągłej energii promieniowania i absorpcji, poniosła fiasko w mikroświecie. Dlatego pewne zjawiska, jak stałość prędkości światła , które w różnych eksperymentach, przejawiały lokalna stałość , możemy pochopnie uważać za potwierdzone elementy logiki indukcyjnej, za aspekty powtarzalne, i dane niezależne od przekształceń w czasie i miejscu położenia w przestrzeni. Poznawaliśmy wielkości i symetrie leżące u podłoża zasad fizyki. Mankament metody indukcyjnej tkwi jednakże w istnieniu granicy dozwolonej ekstrapolacji. Na ogół nie da się określić zakresu dziedziny, inaczej niż poprzez formalne ograniczenia ( definicje ), czy granice nałożone na systemy zdaniowe poprzez twierdzenie Gödla o niezupełności aksjomatycznego systemu zdań.(33) Zatem musimy zgodzić się na niezupełny charakter teorii Einsteina, która nawet nie pokrywa całkowicie dziedziny relatywistycznej. Z uwagi na ekstremalny cechy zjawisk odczuwanych przy prędkościach bliskich światłu, dotychczas zapewne nie znaleziono dowodów przeczących podstawom STW. Uczeni spodziewają się jednakże odkrycia łamania symetrii Lorentza , w skalach obserwacji sięgających progu Plancka ( skali czasu rzędu 10 s ). Obszary takie, o których sądzi się ,że nie podlegają kategorii geometrycznego kontinuum, są jeszcze prawie niedostępne dla technik badawczych. Niemniej jednak stanowisko dotyczące widma „ zróżnicowanej prędkości światła”, wbrew poglądom ortodoksyjnym zostało wypowiedziane już w ramach elektrodynamiki kwantowej ( QED ).(34) Chociaż QED należy do kanonu fizyki, budzi nadal zastrzeżenia z powodu sztuczki matematycznej, zwanej renormalizacją, która to pozwala na wzajemne znoszenie symboli nieskończoności zawartych w równaniach pola. Gdyby nie renormalizacja, kwantowa teoria światła i materii, byłaby zapewne porzucona, jako model nieefektywny. Posłużę się tutaj słowami wypowiedzianymi przez Richarda Feynmana, które traktują o rzeczonym zróżnicowaniu prędkości fotonów w widmie światła widzialnego. „ Amplituda zależy od różnicy położenia i różnicy czasu miedzy dwoma punktami. Odległości te wyrażamy matematycznie jako ( X – X ) i ( T – T ). Główny wkład do P ( A do B ) odpowiada konwencjonalnej prędkości światła – gdy ( X – X ) równe jest ( T – T ) – i spodziewaliśmy się tylko tego wkładu. -44 2 1 2 1 2 1 2 1

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 16/21 Istnieje też amplituda procesu, gdy światło biegnie wolniej lub szybciej niż z prędkością konwencjonalną . I = ( X2 – X1 )2 – ( T2 – T1 )2 Gdy światło porusza się z prędkością C , interwał I jest równy 0. Tak więc światło ma pewna amplitudę rozchodzenia się szybciej lub wolniej niż z prędkością C , ale te amplitudy znoszą się na dużych odległościach.... Jednakże dla niewielkich odległości – jakie występują w wykresach – te dodatkowe amplitudy staja się bardzo ważne i musimy je rozpatrywać.”(35) Zwróciliśmy tym samym uwagę, że zgodnie z ustaleniami QED prędkość światła ulega wpływom wahań amplitudy fotonu, o czym nic nie mówi klasyczna elektrodynamika, władająca pojęciami obarczonymi nadmierną idealizacją. Trudno jest przyjąć za prawdziwy pogląd, według którego natura w swych przejawach matematycznych miałaby mieć zakodowane jakieś liczby absolutne ( niezależne od wszystkich czynników fizycznych ) przypisane odpowiednim wielkościom, jak C , lub inne tzw. stałe uniwersalne. Szczególny problem zaczyna się przy interpretacji prędkości ruchu, który związany jest z terminami takimi jak: „położenia” i „czasu” w biegu fotonu lub fali. Już samo zdefiniowanie pojęć pierwotnych nastręcza trudność konceptualną. Mierzymy drogę przelotu fotonu miedzy wybranymi punktami przestrzeni przy szeregu arbitralnych założeniach dotyczących geometrii przestrzeni, takich jak: rodzaj geometrii, metryka, ciągłość i nieciągłości, izotropia i anizotropia, jednorodność. Również „czas” w fizyce nie ma uniwersalnej definicji. Na potrzeby wyłącznie STW zgeometryzowano funkcje czasu do postaci zmiennej w czterowymiarowym kontinuum czasoprzestrzeni. Wiemy przynajmniej z rozważań Kaluzy (36), czy z teorii strun, że dopuszczalne są w fizyce przestrzenie wielowymiarowe ( n > 4 ). Ponadto znane nam badania przyrodników odnosiły się do stosunkowo niewielkich energii, poniżej rzędu 103 GeV. Nie wiemy nawet jaka jest rzeczywista granica dla ekstremów energii mających realny wpływ na procesy fizyczne we wszechświecie. Nasze doświadczenia dotyczyły zaledwie niskiego progu energii dostępnych w warunkach ziemskich. Nie sądzę zatem, aby istniały dostateczne podstawy do rozstrzygnięć, czy formułowania teorii uniwersalnych. Dane doświadczalne rozumiane w ich formalnym ujęciu zależą od użytej metody badawczej i pojęć, których ścisłości i zakresu nie rozpoznaliśmy ostatecznie. Tak wiec drugi postulat STW, nosi bardziej znamiona konwencji formalnej niż tezy, o której można powiedzieć, że pełni rolę zasady ontologicznej, obowiązującej powszechnie ( zasady działania przyrody). Aby móc twierdzić inaczej należałoby dysponować taką metafizyką ( metateorią ), która umożliwiłaby rozstrzyganie prawdziwości tez za pomocą kryterium prawdy naukowej, zawartej w klasycznej definicji Arystotelesa. Sprawdzenie zgodności sądu z rzeczywistością, wymaga uprzedniego rozpoznania struktury rzeczywistości. Takie zadanie wydaje się niewykonalne. Zdani jesteśmy zatem na paradygmat nauki, oparty o intuicje zwerbalizowane w hipotezach i fakty doświadczalne gromadzone w ramach obowiązujących teorii fizyki. Rzadko pojawiają się fakty przełomowe, które inicjują powstanie nowych działów lub obalają niektóre tezy. Jak wiadomo, fizyka współczesna wykazuje wewnętrzną sprzeczność i niespójność pojęciową. W historii swego rozwoju podzielona została niefortunnie na dwa odmienne systemy, obejmujące teorie klasyczne z OTW, oraz wszystkie teorie kwantowe. Różnice pomiędzy nimi są fundamentalne. Dotyczą bowiem natury promieniowania, energii, oraz całkowicie odrębnych metodologii pomiaru. Jeśli opierać się tylko na schemacie klasycznym – to pomiar prędkości światła w domniemanej próżni, musi uwzględniać szereg warunków niezależnych od przyrządów pomiarowych. Chcąc zbadać prawdziwość drugiego postulatu, musimy zgodzić się na techniczne zrównanie ( tożsamość ) stanu ruchu względnego z względnym spoczynkiem w czasie infinitezymalnym, lub na zastosowanie takiego właśnie „uproszczenia” jako efektywnej metody opisu zjawisk. Domniemana przez nas równoważność stanów była teoretyczni możliwa dzięki zasadzie względności. Za pomocą eksperymentów w układzie zamkniętym nie da się odróżnić ruchu jednostajnego od spoczynku. To negatywne stwierdzenie nie może nas jednakże przekonać, że mamy do czynienia ze stanami identycznymi w sensie fizycznym. Oprzeć musimy się także na konwencjonalnej metodzie analizy ruchu poprzez geometrię euklidesową i układy współrzędnych kartezjańskich. Ich „prawdziwości” , czy adekwatności nie dowodzimy. Same konstrukcje geometryczne, należą do dziedziny matematycznej formalistyki, która nie dotyczy bezpośrednio przedmiotów naturalnych. Podstawy elektrodynamiki Einsteina nie gwarantują nam, i nie ukazują żadnej oczywistości, wedle której powinniśmy opisywać przestrzeń bez pola poprzez geometrie euklidesową z sprzężonym geometrycznie czasem ( czyli metryczną geometrię czterowymiarowego kontinuum ). Nie dysponujemy dostatecznie pewnymi danymi podkreślającymi wymienione tutaj cechy przestrzeni, nawet jeśli wiemy, że taki oto system sprawdza się dość dobrze.

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 17/21 Odmienne stanowisko niegeometryczne wobec pojęcia przestrzeni powstało za sprawą mechaniki kwantowej, która traktuje światło i cząstki materialne w aspekcie korpuskularno-falowym, ujmując ich byt w tzw. „ przestrzeni fazowej” wektorów stanu, stworzonej przez Hilberta.(37) Metoda ta stała się bardzo skuteczna w opisie zachowania obiektów mikroświata, a nawet bardziej przekonywująca niż mechanika relatywistyczna z osobna. Jesteśmy obecnie świadkami wzrostu zainteresowania modyfikacjami STW, oraz szukaniem odstępstw od kanonu wiedzy zawartego w tzw. modelu standardowym. Fizyk Alan Kostelecky z Uniwersytetu w Indianie, proponuje intrygujące konstatacje , wypowiedziane w artykule pt. „W poszukiwaniu granic teorii względności”. ... „ W ostatnich latach ( XXI wieku ) fizycy konstruujący jednolite teorie unifikacji wszystkich oddziaływań, wysunęli hipotezę, że postulaty teorii względności, tylko w przybliżeniu odzwierciedlają mechanizmy rządzące przyrodą”...(38) Te niedostrzegalne jeszcze efekty wiąże się z łamaniem symetrii Lorentza ( czyli niezmienniczoscią praw fizyki względem obrotów i zmian prędkości w przestrzeni ) blisko spokrewnionej z symetria CPT ( ładunek –parzystość – czas ).Gdy bowiem działa CPT zwierciadlane kopie zegara ( parzystość ) wykonane z antymaterii ( sprzężenie ładunkowe ), chodzące wstecz w czasie ( symetria czasu ) odmierzają ten sam rytm czasu , co oryginał wykonany z materii. Wcześniej wspomniano już o paradoksalnym łamaniu zasady parzystości w mikroświecie. Współczesne eksperymenty ATHENA, oraz ATRAP prowadzone w genewskim CERN, dotyczą porównania linii spektralnych wodoru i antywodoru.(39) Jakiekolwiek odstępstwa należałoby przypisać naruszeniu CPT, a także bliskiej symetrii Lorentza, które to wymagają dla obu wodorów powstawania identycznego widma. Na uwagę zasługuje zaobserwowane już zjawisko oscylacji neutrin. Wyjaśnienie mechanizmu oscylacji wymaga rozszerzenia minimalnej wersji Modelu Standardowego, który sugeruje istnienie minimalnych mas neutrin. Niezwykle obiecujące własności przewiduje model SME ( Rozszerzony Model Standardowy), dopuszczający możliwość łamania symetrii. Uważa się , że sprzeczne z teoria względności zachowanie neutrin jest przez SME opisane prościej niż przy użyciu mas.(40) Znalezienie przynajmniej jednego potwierdzenia efektu sprzecznego z teorią będzie motywacją do rewizji fundamentów naszego wyobrażenia o wszechświecie. Wróćmy jeszcze do analizy naszego głównego wątku. Ustaliliśmy , że prawa elektromagnetyzmu Maxwella sformułowane w układzie statycznym względem obserwatora, zostały przeniesione na własności obiektów będących w ruchu , które emitują sygnały świetlne rejestrowane przez obserwatorów rozmieszczonych niezależnie od siebie w przestrzeni. Niezmienniczość tych praw powoduje, że wszystkie punkty przestrzeni przenikać będzie sferyczna fala światła o jednakowej prędkości. Zauważyłem także, ze rejestracja jednakowej prędkości światła przez niezależnych obserwatorów możliwa jest dzięki założeniu słuszności zasady względności, oraz apriorycznemu utożsamieniu warunków pomiaru prędkości fali w układzie względnego spoczynku z pomiarem w układzie ruchu względnego... W związku z powyższym powstało pytanie o statut ontologiczny drugiego postulatu szczególnej teorii względności? W toku mojego wywodu zawarłem odpowiedz. Zgodnie z wiedzą na temat metodologii pomiaru klasycznego należy sądzić, że postulat ten ma cechę konwencji formalnej. Jestem bowiem zdania, że nie potrafimy przynajmniej obecnie dokonać geometrycznej percepcji ruchu ciągłego. Istnieje całkiem prawdopodobna rzeczywistość oferowana przez teorie kwantową, czyli nieciągłość ruchu nawet na poziomie makroskopowym. Takie stwierdzenie byłoby poważnym ciosem dla klasycznego paradygmatu fizyki. Aby ustalić drogę przebytą przez światło miedzy punktami w przestrzeni musimy z konieczności „zawiesić” ruch źródła względem obserwatora. Spodziewany pomiar pośredni prędkości sygnału światła musi dać wynik identyczny do pomiaru w układzie statycznym, kiedy źródło emisji pozostaje w względnym spoczynku, wobec obserwatora. Stąd mamy prawo mniemać, że wszystkie znane eksperymenty wykazują niezależność prędkości światła od prędkości ruchu źródła. Jednakże trzeba pamiętać, że Einstein przyjął rezultaty doświadczeń Morleya – Michelsona, oraz prawdopodobnie także doświadczenia Morleya i Millera z 1904 roku bez odwołania do podobnej analizy, podnosząc empiryczny fakt do rangi zasady i zdał relację z tego stanu rzeczy w elektrodynamice.(41) „ Na podstawie doświadczenia przyjmujemy, że wielkość: 2AB/(t – t ) = V, jest stała uniwersalną ( prędkość światła w pustej przestrzeni).”(42) Przede wszystkim uwagę zwracają dwa aspekty tej tezy: „stałość uniwersalna” i „pusta przestrzeń”. Co ostatecznie rozumiał Einstein przez uniwersalność możemy się jedynie domyślać. Chodzi raczej o uniwersalność powtarzania się tej samej cechy w wielu podobnych przypadkach.. Jednakże żadne z rezultatów ziemskich doświadczeń, a nawet duży zespół doświadczeń wykonanych w warunkach lokalnych A’ A

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 18/21 nie może być z punktu widzenia nauki brany za kandydata do zasadniczego uogólnienia. Z wiedzy gromadzonej przez indukcyjne uogólnienie poszczególnych doświadczeń nie można wyprowadzić zasady kardynalnej inaczej, jak poprzez narzucony apodyktycznie dekret. Dzięki dostrzegalnej powtarzalności wyników w wielu przypadkach sądzimy, że tak oto powinny zachodzić wszystkie zjawiska. Jest to zatem nic innego, jak wygodne uogólnienie często powtarzającego się związku przyczynowego. Co do twierdzenia o istnieniu „pustej przestrzeni” , to trzeba przyznać, że godzimy się jedynie na tożsamość ( lub równoważność ) miedzy geometryczną formą przestrzeni, a tłem fizycznych zdarzeń wobec braku pola i wzajemnego wpływu mas ważkich. Z punktu widzenia fizyki geometria jest to czysta abstrakcja. Współczesne badania dowiodły bowiem istnienia minimalnego stanu energii próżni, a nawet częstego występowania tzw. ciemnej materii aktywnej we wszechświecie. Rozumowanie dotyczące podstawowej kwestii ,stałości C zawarte w „elektrodynamice ciał w ruchu’ wykazuje pewna skłonność do tworzenia niejawnych tautologii. Einstein zadekretował swój drugi postulat z wniosku o niesprzeczności zasady względności z rezultatami transformacji współrzędnych i czasu dla fali sferycznej. Gwarantem stwierdzenia „oczywistej” prawdziwości była konieczność wprowadzenia pojęcia czasu względnego. Pojecie czasu względnego, które porzuca uniwersalny czas Newtona jest już tylko czasem lokalnym zależnym wprost od stałości C i prędkości wzajemnej ruchu miedzy obserwatorem, a badanym układem współrzędnych. Jak widać. zataczamy w tym rozumowaniu błędne koło prowadzące do odkrycia tautologii. Dowodzimy bowiem prawdziwości postulatu na gruncie tezy zgodnej z zadanym na wstępie postulatem. Spróbuje zrekonstruować tautologię podążając w ślad za myślą autora.(43) Niech w układzie K obserwator A umieszczony w punkcie wyjścia osi współrzędnych wyemituje światło w formie fali sferycznej o prędkości C, która po dotarciu do pewnego punktu w czasie t utworzy wektor o współrzędnych ( x , y , z ). x + y + z = t C Natomiast w układzie K’ poruszającym się z prędkością jednostajną U względem K wytyczono nowy wektor zakończony w punkcie lokacji obserwatora B, za pomocą znanych transformacji współrzędnych i czasu. x + y + z = T C Znajdujemy stąd wniosek, że obserwator B w poruszającym się układzie K’ dostrzeże fale sferyczną o identycznej prędkości C w czasie T. Warunkiem spełnienia powyższych równań wyrażających sytuacje dwóch obserwatorów jest początkowe zadanie nierówności: t ≠ T. Niespełnienie owej nierówności zmusiłoby nas do odrzucenia stałości C. Na koniec tej części przytoczę jeszcze jeden znamienny cytat z artykułu Einsteina. „ Wszystkie zagadnienia optyki ciał w ruchu można sprowadzić do problemów ciał w spoczynku.... Wszystkie problemy ciał w ruchu można rozwiązać korzystając z opisanej tutaj metody. Jej istota polega na transformacji pola elektrycznego i pola magnetycznego światła, na które wpływ wywiera ruch ciał , do układu spoczywającego względem tego ciała. W ten sposób wszystkie zagadnienia optyki ciał w ruchu można sprowadzić do problemów optyki ciał w spoczynku.” (44) Ostatnie cytowanie przekonująco argumentuje tezy wywodu ukazując kwintesencję metody relatywistycznej. Metody teoretycznego opisu zjawisk elektrodynamiki, mechaniki i optyki, zawartej w treści szczególnej teorii względności. Wymowa zaprezentowanych przeze mnie tez jest zbieżna z poglądami głoszonymi przez zwolenników nurtu filozofii zwanego konwencjonalizmem. Prawda naukowa zapisana w II postulacie ma charakter pewnej umowy, zasady metodologicznej niezależnej od układu odniesienia. Aksjomat ten nie był bowiem wywiedziony z danych pochodzących od wielu eksperymentów w wyniku uogólnienia indukcyjnego. Za punkt wyjścia posłużyło założenie , że ruch z prędkością jednostajną w dostatecznie małymi czasie dt można teoretycznie zrównać ze stanem spoczynku względem obserwatora . Założenie takie daje się utrzymać z uwagi na istotę pomiaru klasycznego, który zachodzi w statycznych ramach układu współrzędnych kartezjańskich. Następstwem aksjomatu będzie wprost uznanie zarówno ,,zasady względności” jak i niezależności prędkości światła od ruchu źródła za logiczne konsekwencje. 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 2 2

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 19/21 Literatura 1. A. Einstein, „ Five Papers That Changed the Face of Physics.” Princeton University Press, (1998). – polskie wydanie „5 prac, które zmieniły oblicze fizyki.”, Wydawnictwo UW. 2. R.P.Feynman, „QED. The strange theory of light and matter.”, Princeton University Press, (1985). - polskie wydanie „QED Osobliwa teoria światła i materii.”, Prószyński i S-ka, Warszawa, ( 2001). 3. A.Einstein, „The Theory of relativity and other essays.” Philosophica Library.Inc.,(1950). - polskie wydanie „Teoria względności i inne eseje.", Prószyński i S-ka, Warszawa, 1997). 4. „ Spojrzenie na czas, przestrzeń i materię.”, PWN, Warszawa, (2002). 5. P.A.Lindsay „ Introduction to quantum electronics.”, Londyn ( 1975).- polskie wydanie „ Podstawy fizyczne elektroniki kwantowej.”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1979. 6. A.Szymacha, J.P.Lasota „Teoria względności.”, WSiP, Warszawa, (1980). 7. K.Matraszek, J.Such „Ontologia, teoria poznania i ogólna metodologia nauk.”, PWN, Warszawa, (1989). 8. F.Kaczmarek „Wstęp do fizyki laserów.”, PWN, Warszawa, (1979). 9. J.Gribbin „ In Search of the Bing Bang. Quantum Physics and Cosmology.”, J.M. Gribbin, (1986). - polskie wydanie „ W poszukiwaniu wielkiego wybuchu.”, Zysk i S-ka Wydawnictwo s.c., Poznań, (2000). 10. J.Magueijo „ Faster than the speed of light.”, (2003). - polskie wydanie „Szybciej niż światło.”, Wydawnictwo Amber , (2003). 11. J.Gribbin „In Search of Schrödinger’s Cat. Quantum Physics Reality.”, J.M. Gribbin,( 1984). - polskie wydanie „W poszukiwaniu kota Schrödingera.”, Zysk i S-ka Wydawnictwo s.c., Poznań, (1997). 12. N.Spielberg, B.D.Anderson „Seven ideas that shook the universe.”, (1997). – polskie wydanie „Siedem teorii, które wstrząsnęły światem.”, Wydawnictwo Amber, Warszawa, (1997). 13. M.Heller, A.Michalik, J. Życiński „Filozofować w kontekście nauki.”, Polskie Towarzystwo Teologiczne, Kraków, (1987). 14. M.Kordos „ O różnych geometriach.”, Wydawnictwa Alfa, Warszawa, (1987). 15. M.Heller „Czy fizyka jest nauką humanistyczną ?”, Wydawnictwo Biblos, Tarnów, (1998). 16. W.Kołos „Chemia kwantowa.”, PWN, Warszawa, (1978). 17. A.I.Kostrykin „Wstęp do algebry.”, Moskwa, (1977). –polskie wydanie PWN, Warszawa (1984). 18. J.Gribbin „Schrödinger’s kittens and the search for reality.”, J.M.Gribbin, (1995). - polskie wydanie „Kotki Schrödingera czyli poszukiwanie rzeczywistości.” , Zysk i S-ka Wydawnictwo s.c., Poznań, (1999). 19. M.Heller, J.Mączka, J.Urbaniec „Granice nauki.”, Biblos, Tarnów, (1997). 20. B.K.Ridley „Time, Space and Things.”,(1976) . - polskie wydanie „Czas, przestrzeń, rzeczy.”, PW Wiedza Powszechna, Warszawa, (1987).

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 20/21 21. M.Heller, W.Skoczny, J.Życiński „Spór o uniwersalia a nauka współczesna.”, OBI, Kraków, (1991). 22. A.Motycka „Relatywistyczna wizja nauki.”, Wydawnictwo PAN, Warszawa, (1980). 23. A.Einstein „Istota teorii względności.”, PWN, Warszawa, (1958). 24. P.T.Mattheus „Wstęp do mechaniki kwantowej.”, PWN, Warszawa, (1963). 25. L.Kastro „Alberta Einsteina koncepcja eteru relatywistycznego.”, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk, (1992). 26. M.Heller „ Fizyka ruchu i czasoprzestrzeni.”, PWN, Warszawa, (1993). 27. H.Buczyńska-Garewicz „Koło Wiedeńskie.”, Wydawnictwo COME, Toruń, (1993). 28. S.Zamecki „Pojęcie odkrycia naukowego, a historia dziedziny nauki.”, PWN, Warszawa, (1988). 29. B.F.Schutz „Wstęp do ogólnej teorii względności.”, PWN, Warszawa, (1995). 30. A.G.Cairns-Smith „Evolving the mind on the nature of matter and the origin of consciousness.”, Cambridge University Press, Cambridge, (1996). - polskie wydanie „Ewolucja umysłu o naturze i pochodzeniu świadomości.”, Wydawnictwo Amber, Warszawa, (1998). 31. J.Gleick „Chaos.” , Zysk i S-ka, Poznań, (1996). 32. E.T.Sokołow „Centaur czyli jak matematyka pomaga fizyce.”, PWN, Warszawa, (1987). 33. Z.Płochocki „Atomistyka współczesna.” Część II, WSiP, Warszawa, (1986). 34. J.Gribbin „In Search of SUSY. Supersymmetry, String and the Theory of Everything.”, J.M.Gribbin. (1998). – polskie wydanie „W poszukiwaniu SUSY. Supersymetria, struny i teoria wszystkiego.”, Zysk i S-ka. , Poznań, (2000). 35. M.White, J.Gribbin „Einstein life in science.” Great Britain, (1993). – polskie wydanie „Einstein życie nauką.”, WNT, Warszawa, (1995). 36. J.Stachel , S.Howard „Einstein and the History of General Relativity.”, Boston-Basel-Berlin, (1989). 37. D.Lifszyc E.M. „Teoria pola.”, wyd.2 zmienione, Warszawa, PWN, (1979). 38. A.Einstein „List do H.A.Lorentza.”, 17 czerwca 1916, EA 16-453. About the author nytszer :) Dodaj komentarz Musisz się zalogować, aby móc dodać komentarz. Linki Instytut Kulturoznawstwa UMCS Kultura i Historia Odnośniki O portalu Patronat Medialny

5.7.2014 Andrzej Cichocki – Drugi postulat szczególnej teorii względności – konwencja fizyki czyzasada ontologiczna? | Wiedza i Edukacja http://wiedzaiedukacja.eu/archives/50537 21/21 PTK oddział w Lublinie Uniwersytet Marii Curie – Skłodowskiej Wiedza i Edukacja Pow ered by WordPress Max Magazine Theme w as created by