Najwieksze naukowe oszustwo XX wieku?

Najwiekszy reklamiarz naukowy XX wieku

   Szczególna teoria względności opiera się na dwóch postulatach, których prawdziwość  nie jest bezdyskusyjna. Postulat pierwszy, nazwany zasadą względności , mówi, że wszystkie prawa przyrody maja jednakowa postac matematyczna we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Co to są układy inercjalne? Są to układy współrzędnych poruszające się względem siebie ruchem jednostajnym prostoliniowym (czyli ze stałą prędkością po prostoliniowej trajektorii w przestrzeni trójwymiarowej). Przez prawa przyrody rozumiemy tutaj podstawowe zależności opisujące ewolucję układu fizycznego inaczej mówiąc – równania ruchu układu. Zasada wzglednosci mowi wiec, ze rownania ruchu ukladu powinny byc transformowalne do identycznej postaci pomiedzy inercyjnymi ukladami odniesienia. Historycznie, punktem wyjściowym teorii był problem równań pola elektromagnetycznego, które okazały się nie- niezmiennicze wobec transformacji układu współrzędnych określonych wyżej i znanych pod nazwą transformacji Galileusza. Powstało więc pytanie czy można znaleźć transformację zmiennych spełniającą warunek niezmienniczości. Taka transformacja została zaproponowana przez W . Voigt’a w 1887 roku  ale jest obecnie znana pod nazwą transformacji Lorentz’a mimo, że artykuł H.A.  Lorentz’a został opublikowany później bo w roku 1895. Były to czasy burzliwe i płodne dla fizyki, czasy w których dostęp do artykułów zamieszczonych w czasopismach naukowych nie był tak prosty jak to jest obecnie. Problemem dnia ówczesnego była kwestia istnienia (lub nie)  ośrodka, w którym odbywają się drgania fali elektromagnetycznej oraz interpretacja słynnych doświadczeń  Michelson’a-Morley’a. Doświadczenia te sugerowały, moim zdaniem mylnie,  że prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych jest stała we wszystkich kierunkach trójwymiarowej przestrzeni i nie zależna od szybkości źródła czy obserwatora. Byl to drugi postulat wniesiony przez Einsteina. W praktyce teoretyka cała kwestia wyboru transformacji gwarantującej niezmienniczość równań pola elektromagnetycznego sprowadzała się do znalezienia przekształcenia współrzędnych w taki sposób aby równania falowe opisujące ewolucję pól elektrycznego i magnetycznego miało identyczną postać w układzie wyjściowym-laboratoryjnym oraz w układzie inercjalnym poruszającym się względem laboratoryjnego ze stałą prędkością.  Okazało się jednak to możliwe tylko wtedy gdy za zmienną ulegającą transformacji uznamy także czas.

    Z punktu widzenia fizyki klasycznej były to propozycje absurdalne. Czas w fizyce klasycznej był parametrem ewolucji układu (parametrem grupy przekształceń kanonicznych) a nie nową zmienną – w rodzaju współrzędnej kartezjańskiej w przestrzeni trójwymiarowej. Czas powinien być więc identycznny w obu  inercjalnych układach odniesienia jeśli jeden układ odniesienia przesuwa się względem drugiego ( w przestrzeni trójwymiarowej).  Nie mniej, jeśli przyjmiemy punkt widzenia, że faktycznie żyjemy w przestrzeni cztero-wymiarowej, w której istnieją trzy współrzędne przestrzenne oraz dodatkowy wymiar -czas ( a ściślej iloczyn czasu i prędkości światła)   to pójdziemy drogą, którą wybrał A. Einstein w 1905 roku. Szczególna teoria względności wykładana obecnie jest konsekwentnym rozwinięciem tej linii myślowej.
     Jest to teoria bardzo elegancka z matematycznego punktu widzenia ale też  niosąca z sobą szereg trudności pojęciowych i fizycznych. Nic więc też dziwnego, że od samego początku  jej istnienia wniesiono szereg zastrzeżeń. Niestety osoby kwestionujące poprawność teorii Einsteina nie cieszyły się równą mu renomą w środowisku naukowym i zapewne z tego powodu od ponad stu lat studenci uczeni są według schematu myślowego “Ojca Zalozyciela”. Musimy też pamiętać, że środowisko naukowe jest jednym z najbardziej konserwatywnych jakie poznałem a od 1905 roku powstała cała masa publikacji i dysertacji opierających się na i stosujących szczególną teorię względności. To powoduje pewną bezwładność recenzyjno- myślową, której przełamanie wymagałoby pojawienia się jakiejś istotnej niezgodności teorii z doświadczeniem. Tymczasem praktyczne przewidywania  teorii elektromagnetyzmu nie wymagają wykraczania poza klasyczną elektrodynamikę Maxwella. Szybkości relatywistyczne pojawiają się niezbyt często nawet w zastosowania astrofizycznych. To zaś powoduje, że kwestia wytestowania poprawności  teorii względności  i jej ewentualnych  teoretycznych rywali nie jest paląca.
    Jak już bowiem wspomniałem teoria Einsteina jest spójną logicznie. Jej wadą jest jej “nie-fizycznosc” a także oderwanie matematycznej struktury od podstawowego modelu rzeczywistości. Żyjemy bowiem pod wzgledem biologicznym w rzeczywistości przestrzennie trój-wymiarowej i wszelkie próby wprowadzenia dodatkowego wymiaru w postaci czaso-przestrzeni automatycznie powodują zerwanie intuicyjnej więzi opisu z doświadczeniem dnia codziennego. Co więcej, teoria wzglednosci nie wyjaśnia na przykład dlaczego prędkość upływu czasu zależy od szybkości poruszania się danego inercjalnego układu odniesienia względem  układu laboratoryjnego. Jest to konsekwencja dwoch postulatow lezacych u podstawy teorii Einsteina.  Nie wiemy nic o mechanizmie regulacji zegarów poruszających się względem siebie z pewną prędkością.  A za instrumenty mierżące upływ czasu rozumiemy tutaj także realne procesy fizyczne, takie jak na przykład radioaktywny rozpad czy naturalne procesy biologicznego starzenia. Zjawiska takie mogą występować faktycznie ale pytaniem istotnym jest tutaj w jaki wlasciwie sposób wnętrze pierwiastka radioaktywnego jest poinformowane o tym że cały atom znajduje się w ruchu jednostajnie postępowym i wobec jakiego układu odniesienia mierzona jest jego szybkość. Rozpad promieniotworczego izotopu czy czastki elementarnej wydaje sie bowiem byc kontrolowany przez procesy zachodzace wewnatrz samego obiektu i niezalezne od tego czy atom badz czastka porusza sie wzgledem "czegos".

    Wydaje mi sie rozsadnym aby przed przyjeciem propozycji swiata cztero-wymiarowego rozwazyc wpierw jakie beda konsekwencje  analizy problemu rozchodzenia sie swiatla gdy odrzucimy postulat stalej predkosci swiatla we wszystkich ukladach inercyjnych , bez wzgledu na ich ruch oraz nie bedziemy wymagali tego aby wszystkie rownania ruchu ( a zwlaszcza rownania Maxwella) mialy identyczna postac pod wzgledem struktury matematycznej w kazdym ukladzie inercjalnym.
Obecny artykul jest kontynuacja wpisu http://bobolowisko.blogspot.com/2015/05/o-wzglednej-wartosci-szczegolnej-teorii.   Podchodzi jednak do problemu z odmiennego punktu widzenia.


   Moj maly wskaznik laserowy  sluzacy jako pomoc wykladowa ma moc 5 mW i dlugosc fali swiatla czerwonego wynoszaca 6943 A = 6.943 x 10^-7 m. Energia pojedynczego kwantu swiatla wynosi 2.86 x 10^-19 J. Wskaznik emituje wiec 1.75x 10^16 fotonow/sec. . Fotony te sa kolinearne , ich oddzialywanie wzajemne mozna zaniedbac i poruszaja sie one po trajektoriach bedacych liniami prostymi z predkoscia 299 792 458 m/sec. mierzona wzgledem emitujacej powierzchni lasera. Ta zas ma rozmiar wynoszacy z grubsza 4mm^2. Jesli przytrzymam spust lasera (trzymanego nieruchomo) przez czas jednej sekundy to wyemituje on w przestrzen cylindryczny slup swiatla o dlugosci 299 792 458 m. Jest to odleglosc duza ale okreslona. Jesli obserwator badz urzadzenie rejestrujace fotony bedzie postawione w odleglosic wiekszej niz podana wyzej to ow strumien swietlny nie bedzie zarejestrowany po jednej sekundzie (od czasu nacisniecia spustu)  ale odpowiednio pozniej. Jesli zas ustawimy rejestrator fotonow dokladnie w odleglosci 299 792 458 m to pierwszy foton pojawi sie tam po uplywie jednej sekundy a ostatni po uplywie dwoch sekund kiedy to caly slup swiatla uderzy w czujnik spektrometru. Analizator spektrometru zas zarejestruje energie kwantu wynoszaca 2.86x 10^-19 J.

   Jak wiemy fotony, czyli kwanty promieniowania elektromagnetycznego, nie posiadaja masy spoczynkowej. Istnieja wylacznie wtedy gdy podrozuja. Cos w rodzaju Zyda Wiecznego Tulacza.
Jesli jednak przyjmiemy za dobra monete einsteinowska relacje mowiaca o proporcjonalnosci masy (relatywistycznej) do energii  (E = mc^2)  to kazdemu kwantowi energii promieniowania mozemy przypisac pewna relatywistyczna mase - miare bezwladnosci danego fotonu. Ta relatywistyczna masa wynosi

                  m= hv /c^2.  (1)
gdzie c jest predkoscia kwantu wzgledem powierzchni emitujacej czyli w ukladzie laboratoryjnym zdefiniowanym jako ten, w ktorym "dzialo laserowe" stoi.

    Zaleznosc pomiedzy masa i energia jest przypisywana (nieslusznie!) Einsteinowi i uwazana za jedno z osiagniec specjalnej teorii wzglednosci. Faktycznie nie jest to prawda gdyz formula ta jest  prosta konsekwencja analizy wymiarowej i uzytego systemu miar. Wiecej o powszechnych nizporozumieniach w interpretacji tej zasady mozna znalezc w ksiazce znanego fizyka i autora wielu podrecznikow -Hansa Ohaniana zatytulowanej "Einstein's Mistakes - the human failings of genius" , Norton , New York 2008. Znane osiagniecia praktyczne w postaci bomby wodorowej czy atomowej sa oparte na znanym od "wiekow" termodynamikom "cieplu reakcji egzotermicznej" w wyniku ktorej powstaja produkty o wiekszej energii wiazania (a wiec trwalsze) niz ta jaka wystepowala w substratach.

       Tak wiec moj laserowy wskaznik w czasie emisji traci takze mase z szybkoscia okolo
 5.563x10^-20 kg /sec.
 Jak kazdy obiekt posiadajacy mase bezwladna , m,  tak i nasz kwant ma zatem energie kinetyczna wynoszaca, w ukladzie laboratoryjnym,

                E(kin)= 0.5  m c^2 = 1/2 hv   (2)

Energia calego kwantu jest jednak dwa razy wieksza co oznacza, ze druga polowa reprezentuje "energie wewnetrzna" fotonu - zapewne zwiazana z drganiami wektorow natezenia pol : elektrycznego i magnetycznego. Foton ma takze ped czyli iloczyn masy (relatywistycznej) przez predkosc swiatla. Wielkosc tego pedu wynosi:

               p= mc = hv/c      (3)

Biorac pod uwage, ze dlugosc fali swiatla jest ilorazem szybkosci swiatla i jego czestosci

              L= c/v         (4)

dostajemy zaleznosc

              p= h/L          (5)
Ped kwantu jest wielkoscia wektorowa, ktora mozemy zapisac jako

              p = p n        (6)

gdzie n jest jednostkowym wektorem w kierunku poruszania sie kwantu. W ukladzie odniesienia, w ktorym laser spoczywa polozenie fotonu opisane jest rownaniem prostej

          r(t)= r(0) + c n t       (7)

przy czym r(0) jest polozeniem powierzchni emitujacej czyli wylotem "dziala" wyrzucajacego pociski w formie kwantow swiatla.

   Rozpatrzmy teraz uklad poruszajacy sie z predkoscia jednostajna ,w , wzdluz osi  w kierunku rozchodzenia sie strumienia fotonow . W ukladzie tym, ktorym moze byc rejestrator - analizator amplitudy- potencjalna energia (wewnetrzna) niesiona przez foton a takze relatywistyczna masa bezwladna  fotonu pozostana takie same. Zmieni sie jednak kinetyczna energia ruchu masy bezwladnej gdyz predkosc jej, wzgledem  ukladu ruchomego wynosi teraz c - w. Tarcza ucieka bowiem przed nadlatujacym "pociskiem" z predkoscia w  (mierzona wzgledem "dziala") .  Mamy wiec energie kinetyczna fotonu w ukladzie ruchomym (wzgledem "dziala fotonowego") wynoszaca:

       E'(kin)= 1/2  m (c-w)^2  = 1/2 mc^2 (1 -w/c)^2  = 1/2 hv (1- w/c)^2       (8)

gdzie w ostatnim wyrazeniu podstawilismy wartosc relatywistycznej masy bezwladnej fotonu znaleziona wyzej. Energia kwantu w ukladzie ruchomym jest mniejsza niz w ukladzie laboratoryjnym i  wynosi odpowiednio

        E'= hv' = 2 E'(kin) = hv (1- w/c)^2         (9)

To zas pozwala nam na okreslenie zaleznosci (dopplerowskiej) pomiedzy czestosciami kwantu w ukladzie laboratoryjnym i w ukladzie ruchomym postaci

             v' = v (1 - w/c)^2           (10)

  Jak widac ze wzoru (12) czestosc drgania fotonu znika gdy predkosc ucieczki tarczy osiagnie szybkosc swiatla. Oznacza to, ze do tarczy nie dociera juz promieniowanie ze zrodla. Obserwator czy tez czujnik tarczy nie wykrywa zrodla promieniowania na wybranej osi ruchu fotonu.  Moze to wyjasniac znany paradoks Olbersa - istnienie czarnych obszarow wszechswiata w ktorych obserwator nie wykrywa zadnych zrodel swiatla widzialnego.

Biorac pod uwage znana relacje pomiedzy czestoscia a dlugoscia fali w ukladzie laboratoryjnym

           Lv = c                   (11)

i w ukladzie ruchomym

         L'v' = c - w             (12)

otrzymujemy, po podstawieniu do zaleznosci wiazacej czestosci w obu ukladach , relacje

      1/L' = 1/L (1-w/c)      (13)

i
      ( L' - L )/L =  w/c / (1-w/c)        (14)

 

czyli wzgledne wydluzenie dlugosci fali spowodowane efektem Dopplera dla malych wartosci ilorazu w/c  jest zgodne z prawem Hubble'a . Dla wiekszych predkosci uciekajacej tarczy spektrometru wydluzenie wzgledne bedzie roslo nieliniowo i wolniej

niz to przewiduje Hubble.

     Wzgledne wydluzenie fali oznaczane jest czesto litera z

      z = (L'-L)/L        (15)

w literaturze astrofizycznej. Jak latwo sprawdzic relacja podana wyzej jest rownowazna wzorowi

      w/c = z / (1+z)     (16)

Ten wzor na dopplerowskie przesuniecie ku czerwieni rozni sie od podawanego zazwyczaj w literaturze astronomicznej  wzoru

        w/c = [(1+z)^2 - 1]/[ (1+z)^2 +1]     (17)

otrzymanego uzywajac zaleznosci teorii Einsteina. Pare slow komentarza jest tu potrzebne w odniesieniu do wzoru (17) . We wszystkich znanych mi przypadkach efekt Dopplera zwiazany jest z ruchem odbiorcy sygnalu wzgledem zrodla (badz odwrotnie - z ruchem zrodla wzgledem nieruchomego odbiorcy). Tymczasem w szczegolnej teorii wzglednosci jest przyjeta stalosc predkosci rozchodzenia sie sygnalu wzgledem zrodla i odbiorcy. Inaczej mowiac szybkosc rozchodzenia sie swiatla wynosi c zarowno w ukladzie laboratoryjnym jak i w poruszajacym sie.
Einstein dla wyprowadzenia formuly (17) uzyl wobec tego relacji odmiennej, mowiacej ze faza fali swietlnej jest niezmiennikiem transformacji Lorentz'a. Nie chce wdawac sie tu w szczegoly tego aspektu teorii wzglednosci. Mozna je znalezc wraz z komentarzem np w interesujacym dziele Edmunda Whittaker'a "A history of the Theories of Aether and Electricity" vol.2 a takze w wielu bardziej wspolczesnych podrecznikach elektrodynamiki. Bylo to zreczne wybrniecie z koncepcyjnie trudnej sytuacji. Nie mniej , jak wskazuje rysunek , przewidywania relacji (16) i (17) sa zblizone.Sluza one do oceny predkosci ucieczki obiektow astronomicznych na podstawie zarejestrowanego przesuniecia widma promieniowania. Niestety, nie znamy tych predkosci z innych zrodel a wiec nie mozemy uzyc relacji (16) czy (17) do ustalenia, ktora z nich jest blizsza prawdy. Podobnie jest z innymi testami prawdziwosci einsteinowskiej szczegolnej teorii wzglednosci.

Rownanie ruchu fotonu w ukladzie nieruchomej "tarczy" wyglada nastepujaco:

   R(t) = R(0) - r(0) -ct      (18)

gdzie R(0) to wspolrzedna polozenia tarczy w ukladzie laboratoryjnym a r(0) to polozenie"dziala" w tym ukladzie.  Jesli jednak tarcza porusza sie wzgledem "dziala" czyli zrodla fotonu z predkoscia w to rownanie ruchu ma postac :

   R(t) = R(0) -r(0) - (c+w)t     (19)

jesli tarcza porusza sie w kierunku "dziala" albo

   R(t) = R(0) - r(0) - (c-w)t   (20)

jesli sie od "dziala" oddala. Mozemy rownanie ruchu fotonu napisac takze w postaci:

    R(t) = R(0) -r(0) -c (1 + w/c) t  (19a)


dla ruchu tarczy naprzeciw nadlatujacego fotonu i analogicznie napisac takze

    R(t) = R(0) - r(0) - c(1-w/c) t  (20a)

  sytuacji gdy tarcza oddala sie od "dziala".   Wprowadzajac zmodyfikowny czas t' = (1+w/c)t
i podobnie w drugim przypadku t"= (1-w/c)t mozemy utrzymac fikcja, ze predkosc swiatla jest stala we wszystkich wypadkach  ale czas biegnie raz wolniej a raz szybciej niz w przypadku gdy dzialo i tarcza znajduja sie w spoczynku wzgledem siebie. Ale jest to zabieg koncepcyjnie bardzo watpliwy.



   Mozemy tez ta sama droga wyznaczyc efekt Dopplera dla sytuacji gdy "dzialo" i obserwator zblizaja sie do siebie. Zaleznosc pomiedzy czestoscia drgan w obu ukladach odniesienia wyglada wtedy nastepujaco:

      v' = v (1 + w/c)^2      (21)

   Jak mozna bylo oczekiwac czestosc fotonu w ukladzie tarczy zblizajacej sie do dziala jest wieksza czyli dlugosc fali swiatla  przesuwa sie do fioletu czyli ku falom krotszym. Nie ma naturalnej granicy dla stosunku w/c a wiec przy zbieznym kierunku zrodla i tarczy dlugosc dopplerowska fali moze byc dowolnie mala.

Od czasow Einsteina nasza wiedza posunela sie znacznie. Mozemy obecnie zobaczyc holograficzny obraz fotonu na witrynie Wydzialu Fizyki UW  (http://www.fuw.edu.pl/press/images/2016/FUW160718b_fot01.jpg) - wielki i oryginalny wklad polskich fizykow. Namawiam do obejrzenia!
Istnieje tez pare eksperymentalnych danych wskazujacych na to, ze predkosc swiatla zalezy od kierunku ustawienia obserwatora wzgledem osi rozchodzenia sie fali (o czym pisalem poprzednio) .
Wyniki tych doswiadczen (Silvertooth E. W. "Experimental detection of the ether" w Speculatins in Science & Technology, vol. 10 (1987) 3-7  oraz "Motion through the ether " w "Electronics and Wireless World" (May 1989, 437-438.  sa one opublikowane jednak w czasopismach nie-fizycznych albo niszowych.
 Teorie Einsteina kwestionuja tez znani fizycy np Thomas E. Phipps Jr. w "Heretical Veritaties- Mathematica Themes in Physical Description"  (Urbana 1986) czy Jong-Ping Hsu w "Einstein's Relativity  and Beyond" , World Scientific 2000.