G.I. Szypow
TEORIA PRÓŻNI FIZYCZNEJ
W POPULARNYM WYKŁADZIE
Tytuł oryginału:
ТЕОРИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ВАКУУМА
В ПОПУЛЯРНОМ ИЗЛОЖЕНИИ
Oryginał pobrano z linku: http://fizvakum.narod.ru
(nie posiada copyright)
Przetłumaczył z języka rosyjskiego
Marian Wasilewski
Tłumaczenie książki na język polski ma zastrzeżone prawa autorskie,
dopuszcza się jednak rozpowszechnianie tego tłumaczenia
pod warunkiem powołania się na źródło.
Od wydawcy
Popularna książka znanego rosyjskiego uczonego, członka akademii, doktora fizyki G.I. Szypowa jest poświęcona jednemu z trudnych zagadnień fizyki współczesnej – teorii próżni fizycznej. Nauka coraz to bardziej zbliża się do tej granicy za którą rozmywają się, stają się nieużyteczne utarte pojęcia i poglądy. Pojawiają się nowe ujęcia, całkiem nieoczekiwane i nieznane. Ale, zestawione z tradycyjnym ludzkim doświadczeniem i wiedzą duchową, ukazują ukryty związek osiągnięć filozofii wschodniej i metanauki z rozwojem współczesnych pojęć naukowych.
O autorze
Giennadij Iwanowicz Szypow urodził się w 1938 roku. W 1967 roku ukończył Moskiewski Państwowy Uniwersytet im. M.W. Łomonosowa, w zakresie fizyki teoretycznej. W 1972 roku uzyskał doktorat nauk fizyczno-matematycznych na Uniwersytecie Przyjaźni Narodów im. P. Lumumby. Obecnie jest dyrektorem Centrum Naukowego Fizyki Próżni. Ma tytuł Członka Rosyjskiej Akademii Nauk Przyrodniczych. Zakres działalności naukowej: teoria próżni fizycznej, ogólna teoria względności i kwantowa teoria pola, teoria sił jądrowych, teoria cząstek elementarnych, teoria pól i sił bezwładności.
Uwagi tłumacza
G.I. Szypow niewątpliwie jest pierwszym współczesnym europejskim naukowcem, który odważył się włączyć świadomość, jako przedmiot badań, w dziedzinę fizyki teoretycznej. Jest jednak naturalną regułą na świecie, że fundamentalne odkrycia, w różnych dziedzinach wiedzy, naruszają dotychczasowy paradygmat i rodzą wielkie opory. Nie ominęło to także osoby Szypowa, szczególnie dlatego, że działa w kraju w którym dopiero niedawno zniesiono, również w nauce, dotychczas oficjalnie obowiązujący światopogląd ateistyczny.
Wydaje się bardzo ciekawa wypowiedź Szypowa o tym jak wielkie spustoszenie (także ekonomiczne) w naukach przyrodniczych powoduje wprowadzenie tzw. „demokracji”, gdy odkrycia prezentuje się po uzgodnieniu z zespołem badawczym. Myśl odkrywcy pozostaje przy tym w cieniu.
Przypominam sobie komiks, w którym przy stole zasiada zespół mędrców, rozwiązujących jakiś trudny problem. Każdy ma na czubku głowy świecącą żarówkę. Żarówki świecą z różną jasnością. W pewnym momencie nad głową jednego z członków zespołu pojawia się olbrzymi, jasno świecący żyrandol. W konkluzji jednak zaakceptowano pogląd zaznaczony średnio świecącą żarówką na głowie kierownika zespołu. Wiąże się to z porzekadłem rosyjskim, że nie każdemu wolno mówić prawdę (не всякому сказано правду говорить).
Szypow, jak sam twierdzi, opiera się na dedukcyjnej metodzie badawczej, a aksjomaty chyba pochodzą z rozwiniętej intuicji autora. Myślę, że dokładniejsze uwagi będzie można wnieść w późniejszym okresie. Jednak już dziś można stwierdzić, że praca Szypowa stanowi wielki krok ku zbliżeniu wyznań religijnych i nauki.
Książka jest podzielona na pięć części. Tłumaczenie kolejnych części zamierzam zamieszczać na tym Forum. Każda część jest poprzedzona poszerzonym spisem jej treści. Obecnie zamieszczam część pierwszą (Część 1/5).
Serdecznie dziękuję Super Moderatorce + ..... za pomoc w zamieszczeniu tego tłumaczenia na Forum.
WSTĘP
Latem 1930 r., w domku letniskowym Einsteina pod Berlinem, nastąpiło spotkanie Alberta Einsteina z Rabindranatem Tagore. Ci dwaj wielcy ludzie rozmawiali o rzeczywistości oraz o związku między materią i świadomością człowieka.
Einstein, jako przedstawiciel nauki Zachodu uważał, że rzeczywistość (materia, wg zachodniej nauki) istnieje niezależnie od doświadczenia i świadomości człowieka. Materia jest pierwotna a świadomość jest produktem wysoko rozwiniętej materii.
W przeciwieństwie do Alberta Einsteina Rabindranat Tagore utrzymywał pogląd filozofów Starożytnego Wschodu i mówił o Człowieku Uniwersalnym, w którym jest zawarta racjonalna harmonia między subiektywnym i obiektywnym aspektem rzeczywistości. Tylko Uniwersalny Człowiek może poznać rzeczywistość jako absolutną prawdę, którą jest on sam. Materia, badana przez naukę zachodnią, jest względna i iluzoryczna.
Minęło ponad pół wieku po tym znamiennym spotkaniu i, w wyniku rozwoju idei Einsteina, pojawiła się nowa teoria – teoria próżni fizycznej, która nie tylko włącza świadomość w obraz świata, ale także wskazuje określoną rolę pewnej Wyższej Realności podczas tworzenia „grubej” materii z niczego. Wyższa Realność jest rozpatrywana jako Ponadświadomość, Wszechrozum, czyli Bóg (Uniwersalny Człowiek).
Trzeba zauważyć, że teoria próżni fizycznej, w istocie rzeczy, nie jest „nową teorią”, jako że wiele tysięcy lat temu na Wschodzie było wiadomo, że wszystkie przedmioty materialne pojawiły się z „Wielkiej Pustki” – z próżni fizycznej, jak by powiedzieli fizycy współcześni. Jaka jest różnica między starożytną wiedzą Wschodu i współczesną nauką w podejściu do badanego przedmiotu? Nauka zachodnia posługuje się głównie metodą indukcyjną, która zakłada doświadczalne badanie oddzielnych zjawisk z późniejszą budową ogólnej teorii, wiążącej te zjawiska. Wschodni rozwój myśli opiera się na dedukcyjnej metodzie badania zjawisk, w której zjawisko bada się w całości, bez poprzedniego rozpatrzenia jego części. Te dwie różne metody kształtują dwa różne światopoglądy i, odpowiednio, różne cywilizacje. Widać, że indukcyjne podejście zachodnie od początku ogranicza nasze pojmowanie rzeczywistości, a jego rozwój zrodził zachodnią, technogenną cywilizację, ze wszystkimi jej osiągnięciami i brakami. Podstawę metodyki dedukcyjnej stanowi samodoskonalenie się, skierowane na rozwój indywidualnej świadomości człowieka. Ostateczny cel takiego rozwoju dostrzega się w świadomości Uniwersalnego Człowieka (czyli Nadświadomości). Cywilizacja, która bazuje na wartościach, przyjmowanych w ludzkiej społeczności z wielkim uznaniem, rozwija się w harmonii z przyrodą i, ogólnie mówiąc, nie wymaga wartości głoszonych przez tzw. rozwinięte zachodnie kraje.
Różnica między Zachodem i Wschodem w badaniu rzeczywistości odbiła się na metodach badań. Jeżeli na Zachodzie nauka o prawach przyrody wykorzystuje jako narzędzie fizykę i matematykę, to na Wschodzie głównym instrumentem jest ludzkie ciało, jego centra nerwowe i kanały oraz jego świadomość. Zachodnie badania są nazywane naukowymi w czasie gdy badaczy na Wschodzie przedstawia się jako poszukiwaczy. Żyjemy w bardzo niezwykłych i ciekawych czasach, gdy zmieniają się wieki i tysiąclecia. Liczni ludzie intuicyjnie oczekują wielkich zmian we wszystkich dziedzinach naszego życia i one rzeczywiście zachodzą. W książce tej chciałbym zapoznać szeroki krąg ludzi z nową fizyczną teorią – teorią fizycznej próżni, która pojawiła się w wyniku rozwoju idei Einsteina.
Teoria fizycznej próżni w znaczącym stopniu zmienia nasze wyobrażenia o świecie. Przede wszystkim dotyczy to wzajemnego stosunku między materią i świadomością – jednego z głównych problemów przyrodniczych. Dotychczas fizyka badała zjawiska bez uwzględnienia wpływu świadomości na bieżące procesy w przyrodzie uważając, że świadomość człowieka gra podrzędną rolę w odniesieniu do materii. Materia jest pierwotna a świadomość wtórna – oto podstawowa teza nauki materialistycznej. Jednak w ostatnim czasie w prasie i telewizji coraz więcej pojawia się wiadomości, przedstawiających cudowne przejawienie świadomości ludzkiej w otaczającym świecie, stawiające naukę współczesną w trudnym położeniu niemożliwości wyjaśnienia tych zjawisk w ramach paradygmatu współczesnej nauki. Na przykład w Rosji w mieście Penza żyje Anatoli Antypow, którego ciało ma dziwną możliwość przyciągania różnych przedmiotów. Anatoli może przyciągnąć swoim ciałem trzy metalowe płyty o łącznej wadze 160 kilogramów! Władając tą zdolnością przy pomocy świadomości powoduje on przemieszczenie po ciele płytę o wadze 60-ciu kilogramów! Ani teoria grawitacji Newtona (lub Einsteina), ani elektrodynamika, ani żadna inna fizyczna teoria współczesnej nauki nie może opisać tego zjawiska, zachodzącego regularnie (zgodnie z wolą A. Antypowa).
Gdy fizyk widzi podobne przejawy świadomości człowieka, to początkowo próbuje przedstawić je jako sztuczkę. Jednak każdy uczciwy człowiek (tym bardziej badacz) powinien w tym przypadku uznać ograniczoność współczesnego paradygmatu naukowego. Znaczącym sukcesem nowej teorii jest naukowa zapowiedź istnienia subtelnych światów materialnych i świata Wyższej Rzeczywistości, grającej istotną rolę w ewolucji materii, a w tym także człowieka.
Można przyjąć bardzo prosty sposób rozważań, który sprowadza do myśli, że u podstaw świata leży Wielka Pustka – fizyczna próżnia. Wyobraźcie, że siedzicie przy stole i obserwujecie go. Widzicie twardą, materialną powierzchnię. Załóżmy, że posiadacie mikroskop z dostatecznym powiększeniem, aby ujrzeć molekuły tworzące substancję stołu. Patrząc w mikroskop widzicie przestrzeń w której, wg określonych praw, są rozmieszczone molekuły. Nastawiacie mikroskop na określoną molekułę i, zmieniając powiększenie widzicie, że molekuły składają się z atomów, a między atomami jest znów pustka. Kierując mikroskop na pojedynczy atom możecie ujrzeć w centrum atomu jądro, wokół którego obracają się elektrony, podobnie do planet obracających się wokół słońca, a między elektronami i jądrem – znów pustka. Następny etap powiększenia ukaże, że jądro składa się z cząstek elementarnych – protonów i neutronów, między którymi znów dostrzega się pustkę. Jeśli teraz spojrzeć na cząstkę elementarną, np. na elektron, to (zgodnie z teorią Dirac’a) składa się on z pustki, o ile przedstawia sobą „pobudzony stan próżni fizycznej” – szczególny stan pustki.
Zdumiewający jest fakt, że około pięciu tysięcy lat temu filozofowie Indii wiedzieli już o tym, że cała materia jest związana z pustką. Przedstawiali oni poglądowo absolutną pustkę jak gładką powierzchnię jeziora, gdy nie ma wiatru. Pojawianie się cząsteczek materii z pustki porównuje się z pojawianiem się na tafli jeziora zmarszczek od działania wiatru. W indyjskich Wedach proces powstawania materii z próżni i uchodzenie jej z powrotem do próżni opisuje się jako dialog między uczniem i nauczycielem: „Jakie jest źródło tego świata? – odpowiedź: Przestrzeń. Istotnie, wszystkie rzeczy wyłaniają się z przestrzeni i wracają do przestrzeni, gdyż przestrzeń jest większa od nich, przestrzeń jest ostatnią ich przystanią (schronieniem)”.
Powstaje pytanie, skąd starożytni poszukiwacze prawdy dowiedzieli się o tym do czego współczesna nauka doszła w wyniku ponad trzystoletniego swego rozwoju? Liczni uczeni uwazają, że istnieją dwie drogi dojścia do poznania rzeczywistości: indukcyjna i dedukcyjna.
Indukcyjna droga poznania (rozwój poznania od cząstkowego do ogólnego), charakteryzuje naukę zachodnią która, zaczynając od czasów Newtona, zajmuje się tym, co przy badaniu jakiegokolwiek zjawiska zajmuje się nagromadzeniem danych doświadczalnych, a zatem uogólnieniem ich w tworzeniu odpowiednich teorii fizycznych. Przy takiej metodzie poznania zachodzi kolosalna praca kolektywna. Jej wyniki, po tym jak zostaną zapisane w uniwersalnym i najbardziej stałym języku - języku matematyki, mogą być wykorzystane przez ogół w takim lub innym celu.
Dedukcyjna droga poznania (rozwój wiedzy od poznania ogólnego do cząstkowego) należy do wschodniej myśli. Jego istota jest zawarta w „podłączeniu świadomości” poznającego do niejakiego banku danych (lub do Nadświadomości), istniejącego w tym świecie jako część rzeczywistosci. Takie podłączenie zachodzi w stanie medytacji, gdy myśli człowieka, odgrywają rolę swoistego szumu w kanale łączności z bankiem danych i całkowicie zanikają (stan bezmyślenia). Okzuje się, że człowiek jest zdolny otrzymać wiedzę z banku danych „na wprost”, mianowicie tę która go interesuje.
Badając proces pojawiania się nowego w nauce, znany angielski matematyk R. Penrose dochodzi do wniosku, że przyjmowanie nowych prawd naukowych wydaje się słuszne, choć nie pochodzą one w wyniku logicznej pracy umysłu, a uzyskane są przy pomocy bezpośredniego podłączenia do pewnego, wstępnie przyjętego źródła wiedzy. Na tym polega akt uduchowienia, towarzyszący w twórczej pracy w każdej działalności człowieka.
Punkt widzenia R. Penrose’a w pełni potwierdza się wynikami teorii próżni fizycznej, na ile ona wskazuje na istnienie w przyrodzie pierwotnych pól torsyjnych – idealnego nośnika informacji. Ponadto bogaty materiał doświadczalny, nagromadzony przez wschodnich poszukiwaczy prawdy w wyniku pracy z centrami nerwowymi (czakramami) i nerwowymi kanałami człowieka, daje podstawę rzetelnemu naukowcowi, aby uznał istnienie świata wyższej rzeczywistości i subtelnych światów, których przedstawicielem jest Pierwotna Nadświadomość. W taki sposób istnieją dostateczne podstawy aby uważać, że pola torsyjne próżni fizycznej odpowiadają różnym poziomom subtelnych światów, ściśle związanych ze świadomością człowieka, i już dawno opisanych w religijnych traktatach i w ezoterycznej literaturze. Z drugiej strony połączenie indukcyjnych i dedukcyjnych metod poznania rzeczywistości może doprowadzić do syntezy ścisłej nauki i religijnej mądrości. Związek syntezy nauki i religii, przy czym nauka wykorzystująca wiedzę o próżni fizycznej, wyciąga rękę do religii, orientując się przyszłościowo na tworzenie metanauki, która połączy w sobie naukę, sztukę i religię.
Po co współczesnemu człowiekowi jest potrzebna nauka? Po to, że: a) odpowiada na pytanie jak jest urządzony świat; b) potrafi ulepszyć życie człowiekowi.
Te dwie cechy nauki są ze sobą związane. Nie prezentując całościowego urządzenia świata możemy znaleźć się w sytuacji, gdy nawet istniejąca wiedza naukowa, uzyskana w różnych dziedzinach w wyniku uporczywej pracy, nie pozwoli nam zmienić życia na lepsze. Pamiętając mądre słowa judejskiego króla Salomona „Wielka wiedza – wielkie zmartwienie”, koniecznie trzeba uświadamiać, że nauka jest jak kij, który ma dwa końce – można ją użyć zarówno na dobro jak i na zło dla człowieka. Wystarczy wspomnieć odkrycie spontanicznego podziału jąder uranu, prowadzącego do budowy bomby jądrowej.
Autor spotykał się z licznymi ludźmi którzy zapewniają, że istniejące nieszczęścia są spowodowane przez naukę. W związku z tym niektórzy przedstawiciele religijnych konfesji wypowiadają mniemanie o tym, że nauka to pomiot diabła i że należy wstrzymać dalszy jej rozwój. Oczywiście, to radykalne zdanie nie służy ewolucji człowieka. Ewolucja jest tak nieunikniona jak zmiana dnia i nocy. Wyjście jest jedno, musimy zmienić naszą świadomość w taki sposób, aby żadne osiągnięcia naukowe nie mogły być wykorzystane przeciw człowiekowi. To nie są po prostu błahe pragnienia autora, to wpływ czasu i wiedzy, bazujące na teorii próżni fizycznej.
Formowanie światopoglądu naukowego jest następstwem ewolucji świadomości człowieka, a ewolucja jest tak samo nieodwracalna jak zmiana dnia i nocy. Dlatego naukowy plan świata w nowym tysiącleciu powinien odzwierciedlać rzeczywistość dokładniej, włączając świadomość człowieka, aby pomóc ukształtować myślenie ludzi w taki sposób, żeby użycie nowej wiedzy przeciw ludzkości było po prostu niemożliwe.
Książka ta została napisana na prośbę moich przyjaciół i współpracowników. U jej podstawy są zawarte materiały z licznych popularnych wykładów, wygłoszonych przez autora przed audytoriami o różnym stopniu przygotowania naukowego. W czasie popularnych wykładów autor starał się w maksymalnym stopniu połączyć dwa wzajemnie wykluczające się aspekty – prostotę wykładu i naukową ścisłość. W celu profesjonalnego zapoznania się z teorią czytelnik może zwrócić się do trzech książek autora (dwie wydane po rosyjsku, a jedna po angielsku) pod nazwą „Teoria próżni fizycznej”.
Przy okazji chcę podziękować Eugeniu Czyżykowowi za dobór i analizę niezbędnej literatury ezoterycznej.
Część 1/5
FIZYKA JAKO TEORIA WZGLĘDNOŚCI
Poszerzony spis treści części 1/5
Rozdział 1. Przestrzeń zdarzeń.
Pojęcie systemu odczytu. Trajektoria ciała w systemie odczytu. Ciało odczytu i jego związek z systemem odczytu. Fizyczny eksperyment jako mnogość względnych współrzędnych dwóch systemów odczytu. Przykłady eksperymentów. Przestrzeń zdarzeń. Fizyka jako teoria względności, zbudowana na analizie przestrzeni zdarzeń. Klasy systemów odczytu: bezwładnościowe, lokalnie przyśpieszone bezwładnościowe pierwszego rodzaju, lokalnie przyśpieszone bezwładnościowe drugiego rodzaju, lokalnie przyśpieszone niebezwładnościowe, przyśpieszone konforemne. Przykłady systemów odczytu.
Rozdział 2. Względność energii ruchu jednostajnego.
Absolutne i względne wielkości fizyczne. Przykłady względnych wielkości fizycznych. Pojęcie linii geodezyjnej. Idealizacja bezwładnościowego systemu odczytu. Przestrzeń euklidesowa jako „próżnia absolutna”.
Rozdział 3. Czterowymiarowa przestrzeń zdarzeń i względność czasu.
Przestrzeń zdarzeń bezwładnościowego systemu odczytu w mechanice Newtona. Mechanika Einsteina-Lorentza i jej geometria. Następstwa równań mechaniki relatywistycznej. Niestabilność masy i rozmiarów geometrycznych ciała. Energia bezruchu. Geometria pseudoeuklidesowa jako model „absolutnej próżni”.
Rozdział 4. Względność sił i pól w teorii grawitacji Einsteina.
Opis lokalnie bezwładnościowych systemów odczytu. Określenie lokalnie przyśpieszonych bezwładnościowych systemów odczytu. Określenie lokalnie przyśpieszonego bezwładnościowego systemu odczytu pierwszego rodzaju. Teoria grawitacji Einsteina i przestrzeń zdarzeń geometrii Riemanna. Eksperymenty potwierdzające teorię grawitacji Einsteina.
Rozdział 5. Próżnia Einsteina.
Następstwa równań Einsteina. Właściwości sprężyste przestrzeni-czasu. Próżnia fizyczna w rozumieniu Einsteina i jego równania próżni.
Rozdział 6. Próżnia Dirac’a.
Teorie indukcyjne i dedukcyjne, przykłady. Problemy równań elektrodynamiki kwantowej. Próżnia fizyczna jako „kwantowy płyn”.
Rozdział 7. Zapowiedź Einsteina o fizyce przyszłości.
Problem „demokratyzacji fizyki”. Trzy podstawowe grupy badaczy: stratedzy, taktycy i operatorzy. Program Einsteina w sprawie budowy jedynej teorii pola.
Rozdział 8. Względność pola elektromagnetycznego w geometryzowanej elektrodynamice.
Dwie teorie pola elektromagnetycznego: newtonowska i einsteinowska. Wprowadzenie lokalnie przyśpieszonych, bezwładnościowych systemów odczytu pierwszego rodzaju, związanych z naładowanymi cząstkami. Postulat Bora o orbitach stacjonarnych elektronu w atomie. Równania geometryzowanej elektrodynamiki oraz względność sił i pól elektromagnetycznych. Kwantowa zasada Bora jako następstwo przyśpieszonego bezwładnościowego ruchu ładunków.
Rozdział 9. Obrotowa względność i obrotowe współrzędne.
Ruch postępowy i obrotowy. Systemy odczytu w przypadku zarówno postępowego jak i w obrotowego ruchu. Sześciowymiarowe i dziesięciowymiarowe przestrzenie zdarzeń. Klasy współrzędnych całkowalnych i niecałkowalnych.
Rozdział10. Pola torsyjne i względność obrotu.
Przykłady przyśpieszonego ruchu bezwładnościowego. Określenie lokalnie przyśpieszonych bezwładnościowych systemów odczytu drugiego rodzaju. Pole sił bezwładności i pole torsyjne. Geometria Weitzenberga. Względność skręcania.
Rozdział 11. Względność sił i pól bezwładności.
Siła bezwładności – najbardziej zagadkowa siła w przyrodzie. Newtonowska próba wyjaśnienia powstawania sił bezwładności, „przestrzeń absolutna”. E. Max o naturze sił bezwładności. Cztery rodzaje sił bezwładności w fizyce współczesnej. Względność sił bezwładności. Pole bezwładności jako przejawienie pola torsyjnego.
Rozdział 12. Trzy postacie przestrzeni Weitzenberga.
Przestrzeń absolutnej równoległości. Trzy postacie przestrzeni absolutnej równoległości. Ważne właściwości przestrzeni Weitzenberga.
Rozdział 13. Względność wzbudzeń próżniowych.
Względność obrotowa i dziesięciowymiarowa przestrzeń Weitzenberga. Równania pól teorii próżni fizycznej. Stany wzbudzenia próżni fizycznej. Konforemne systemy odczytu. Przestrzeń Weitzenberga-Weilla. Zasada powszechnej względności.
TREŚĆ CZĘŚCI 1/5
1.1. Przestrzeń zdarzeń.
Zachodni sposób poznania przyrody zaczyna się od tego, że ustala się swoisty „punkt widzenia” badacza – system obserwacji lub system odczytu. W systemie trójwymiarowej mechaniki Newtona system odczytu jest przedstawiony przez trzy wzajemnie prostopadłe kierunki odcinków prostej, ze wspólnym początkiem 0 (rys. 1). Badając np. trajektorię lecącego kamienia, wyrzuconego równolegle do Ziemi, obserwator dokonuje pomiaru, w różnych chwilach, odległości od początku 0 do lecącego kamienia M. W wyniku tego doświadczenia obserwator otrzymuje zestaw odległości r w każdej chwili czasu t.
Rys. 1. Trajektoria kamienia wyrzuconego równolegle do powierzchni Ziemi. Obserwator mierzy odległości r do kamienia w różnych momentach czasu t. Otrzymana ilość odpowiednich współrzędnych z dwóch systemów odczytu zawiera całą informację o ruchu kamienia.
Analizując otrzymane wyniki obserwator odkrywa, że trajektoria w tym systemie opisuje się równaniem paraboli. Każdy realny system odczytu jest związany z przedmiotem odczytu, którym może być dowolny obiekt fizyczny: ciało stałe, cząstka elementarna, fala światła, itd. Często system odczytu jest związany ze ścianami laboratorium w którym prze- prowadza się eksperyment. W naszym konkretnym przypadku jeden z systemów odczytu jest związany z powierzchnią Ziemi, a drugi z rzuconym kamieniem. Dlatego dane obserwatora prezentuje ilość odpowiednich współrzędnych w dwóch systemach odczytu. To jest wszystko z czym mamy do czynienia w dowolnym eksperymencie fizycznym.
J. Kepler, mierząc położenie planet w różnych momentach czasu przy ich ruchu wokół Słońca odkrył, że ruch ten przebiega po elipsach. Pracował on z mnogością odpowiednich pomiarów w systemach odniesienia. Jeden był związany ze Słońcem, a drugi z Planetą. Okazuje się, że mnogość względnych pomiarów zawiera całą informację o grawitacyjnym współdziałaniu Planety i Słońca.
I. Newton uznał (chyba gdy jabłko spadło mu na głowę) że Ziemia przyciąga masywne przedmioty z siłą, którą można określić analizując mnogość odpowiednich danych spadającego ciała i systemu danych związanych z Ziemią. Jednak początkowo I. Newton badał ruch Planet, Księżyca i Ziemi, oraz księżyców Jowisza i ustalił, że ich ruch zachodzi pod działaniem siły, której wielkość jest proporcjonalna do iloczynu mas planet i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.
Załóżmy, że badamy ruch naładowanej cząstki w polu elektromagnetycznym. Znów wchodzą w grę dwa systemy odniesienia, z których jeden jest związany z laboratorium, a drugi z naładowaną cząstką. Dokonując pomiaru odpowiednich danych z tych dwóch systemów odniesienia w różnych momentach czasu otrzymujemy wiele danych zawierających pełną informację o elektromagnetycznym współdziałaniu pola i cząstki. Mnogości danych, otrzymanych w licznych doświadczeniach, fizycy nazywają przestrzenią zdarzeń, gdyż każdy punkt tej przestrzeni określa pewne elementarne zdarzenie. W taki sposób badając grawitacyjne, elektromagnetyczne, jądrowe i jakiekolwiek inne fizyczne współdziałania – w istocie mamy do czynienia z przestrzenią zdarzeń badanego zjawiska.
Z naszych rozważań wynikają co najmniej dwa wnioski:
1. Dowolny eksperyment fizyczny w bezpośredni lub pośredni sposób sprowadza się do pomiaru odpowiednich danych z różnych systemów odczytu.
2. Fizyka jest teorią względności, badającą przyrodę za pośrednictwem analizy zdarzeń przestrzennych.
Badając przestrzeń zdarzeń jakiegokolwiek zjawiska fizyk, tworząc teorię zjawiska, może wykorzystać dwa skrajne podejścia:
a) albo, na podstawie analizy przestrzeni zdarzeń, spróbuje odgadnąć równania opisujące zjawisko, tak jak to uczynił Newton przy odkryciu swojej teorii grawitacji (podejście indukcyjne);
b) albo przeanalizować ogólne geometryczne właściwości przestrzeni zdarzeń i otrzymać równanie fizyczne, tak jak to uczynił Einstein przy tworzeniu ogólnej teorii względności (podejście dedukcyjne).
Równania teorii próżni fizycznej odkryto drogą dedukcyjną. W tym celu obrano najogólniejszy system odczytu, znany w dzisiejszych czasach w fizyce, czyli badanie geometrycznych warunków odpowiedniej przestrzeni zdarzeń.
Obecnie w fizyce znanych jest pięć typów systemu odczytu:
1) bezwładnościowe, które przemieszczają się wzajemnie ze stałą prędkością i bezobrotowo;
2) lokalnie przyśpieszane bezwładnościowe pierwszego rodzaju, które przemieszczają się względem siebie bezobrotowo, ale lokalnie nie różnią się od systemów bezwładnościowych (np. system odczytu związany ze swobodnie spadającą windą);
3) lokalnie przyśpieszone bezwładnościowe drugiego rodzaju, które przemieszczają się wzajemnie z przyśpieszeniem z obrotami, ale lokalnie nie różnią się od bezwładnościowych systemów (np. system odczytu związany z centrami mas jednorodnego obracającego się dysku);
4) niebezwładnościowe przyśpieszone lokalnie (np.system odczytu związany z przyśpieszającym silnikiem rakietowym);
5) przyśpieszane konforemne (systemy związane z obiektami fizycznymi, zmieniającymi swoje fizyczne charakterystyki: masę, ładunek, itd.).
Dla każdego rodzaju systemu odczytu istnieją własne, właściwe tylko dla tego systemu, przestrzenie zdarzeń. Znając geometryczne właściwości przestrzeni zdarzeń można znaleźć, na przykład, równanie ruchu jednego systemu odczytu względem drugiego. O ile system odczytu jest związany z jakimkolwiek ciałem fizycznym, to od razu znajdujemy równanie ruchu dla takiego systemu. Oczywiście, że ruch przyśpieszony systemów odczytu wywołano fizycznym wzajemnym oddziaływaniem ciała odczytu – z polem, w którym ono się porusza. Dlatego analiza przestrzeni zdarzeń w tym przypadku pozwala znaleźć nie tylko równanie ruchu ciała odczytu, ale także otrzymać równanie pola, pod którego działaniem porusza się ciało odczytu.
1.2. Względność energii ruchu jednostajnego.
Czym jest absolutna i względna wielkość w rozumieniu fizycznym? Będziemy mówić, że pewna wielkość fizyczna jest względna, jeśli możemy ją sprowadzić do zera (choćby lokalnie) przy pomocy jakichkolwiek przekształceń, mających sens fizyczny. Odpowiednio, jeśli nie można tego uczynić, to oznacza, że wielkość ta jest absolutna. Obserwując jak Słońce wschodzi na wschodzie i zachodzi na zachodzie, Arystoteles i Ptolemeusz doszli do wniosku, że Ziemia znajduje się w absolutnym bezruchu, a Słońce i gwiazdy obracają się wokół niej. Jednak dokładniejsze badania astronomów wykazały, że Ziemia krąży wokół Słońca, a Słońce z kolei porusza się względem gwiazd. Okazało się, że systemów absolutnie nieruchomych w przyrodzie nie ma. Wszystko znajduje się we względnym ruchu.
Rys. 2. Układ współrzędnych S jest związany z masą m. Układ współrzędnych S* jest związany z masą m*. Masa m* porusza się względem masy m ze stałą prędkością v.
Przyjmijmy dwa układy współrzędnych: układ S związany z masą m oraz układ S*, związany z masą m*. Zakładamy, że fizyk znajduje się w układzie S i dokonuje pomiaru współrzędnych należących do układu S*. Niech układ S* porusza się w stosunku do układu S ze stałą, bezobrotową prędkością v. Określa się, że taki układ współrzędnych jest bezwładnościowy. Oczywiście, szybkość ciała m*, z którym jest związany układ S*, jest także stała i równa v. W wyniku pomiarów fizyk otrzyma zestaw odpowiednich współrzędnych S oraz S*. Badając ten zestaw ustali, że:
a) trójwymiarowa przestrzeń tego układu jest euklidesowa;
b) trajektorie ciał są prostoliniowe;
c) energia kinetyczna ciał jest wielkością względną.
Rzeczywiście, energia kinetyczna masy m*, zapisana we współrzędnych układu S jest równa połowie iloczynu tych mas, podzielonego przez kwadrat prędkości v. Przejdźmy teraz z układu S do układu S*, gdzie masa m* jest nieruchoma (v=0). W mechanice Newtona takie przejścia dokonuje się przy pomocy przekształceń współrzędnych Galileusza-Newtona. W wyniku badacz odkryje, że energia kinetyczna ciała m* w układzie S* jest równa zeru. Wynik ten oznacza, że energia kinetyczna poruszających się ciał jest względna.
W geometrii istnieje pojęcie linii geodezyjnej. Jest to linia odpowiadająca najmniejszej odległości między dwoma punktami w danej geometrii. W geometrii euklidesowej geodezyjną (na przyszłość słowo linia będziemy pomijać) jest prosta. Dlatego równania ruchu ciał należy zapisywać w taki sposób, aby ich rozwiązania prowadziły do prostoliniowych trajektorii ciał. Z mechaniki Newtona wiemy, że równania ruchu zapiszą się w tym przypadku w postaci przyrównania do zera iloczynu masy ciała i jego przyśpieszenia, to jest równania ruchu ciał swobodnych. Ale takiego nie ma w przyrodzie! Wszystkie ciała posiadają masę i, w następstwie, grawitacyjne wzajemne oddziaływanie. Oczywiście, to wzajemne oddziaływanie jest bardzo małe i w większości przypadków można je pominąć (tak też fizycy zwykle postępują). W następstwie pojęcie bezwładnościowego układu staje się idealizowanym. Badając przestrzeń zdarzeń w tych systemach otrzymujemy trywialne równania ruchu i żadnych równań pola. W tym znaczeniu płaska przestrzeń euklidesowa, tworzona zestawem odnośnych współrzędnych systemów odczytu, odpowiadają „absolutnej pustce”, tak jakby masy (i inne fizyczne charakterystyki) ciał dążyły do zera.
1.3. Czterowymiarowa przestrzeń zdarzeń i względność czasu.
Przestrzeń zdarzeń bezwładnościowych systemów odczytu mechaniki Newtona jest trójwymiarowa i korzysta z trzech współrzędnych przestrzennych: x, y, z. Przy ruchu układu współrzędnych, współrzędne te zależą od czasu t, który występuje w mechanice Newtona jako wielkość absolutna. Trójwymiarowość przestrzeni zachowała się w fizyce do czasu, dopóki nie podjęto doświadczeń związanych z szybkością światła. Ustalono, że światło ma szybkość c = 300000 km/sek.
Przy takich szybkościach materii (lub bliskich jej, ale mniejszych niż c) przestrzeń zdarzeń staje się czterowymiarowa, przy czym czas, pomnożony przez szybkość światła c, tworzy czwartą współrzędną x0 = ct, dopełniającą trzy współrzędne x, y, z. W wyniku – mechanikę Newtona zastąpiła bardziej kompletna, relatywistyczna mechanika Einsteina-Lorentza. Geometrii przestrzeni zdarzeń w tej mechanice nadano strukturę geometrii euklidesowej. Jest to geometria płaska, której geodezyjne stanowią proste „ustawione” w czterech wymiarach. Po liniach tych poruszają się ciała odczytu czterowymiarowych, bezwładnościowych systemów. Nazwa geometria pseudoeukidesowa jest związana z tym, że czwarta współrzędna x0 = ct jest domniemaną współrzędną w stosunku do współrzędnych przestrzennych x, y, z. Zrozumiałe, że czterowymiarowy bezwładnościowy system odczytu jest taką samą idealizacją jak system trójwymiarowy, jako że wszystkie ciała odczytu w jakimś stopniu współdziałają ze sobą.
Z analizy równań mechaniki relatywistycznej (tj. mechaniki wielkich szybkości) wynikają zdumiewające następstwa:
Po pierwsze, ciało w spoczynku włada energią równą iloczynowi masy m przez kwadrat szybkości światła: E = mc².
Po drugie, masa ciała zależy od szybkości ruchu i dąży do nieskończoności przy zbliżeniu szybkości ciała do szybkości światła.
Po trzecie, wszelki przyśpieszony ruch w przestrzeni czterowymiarowej przedstawia się jako obrót w płaszczyznach tworzonych przez oś czasu ct i osie współrzędnych x, y, z. Na rys. 3 przedstawiono jedną z płaszczyzn, mianowicie płaszczyzn ct-x. Na tej płaszczyźnie proste, rozmieszczone pod kątem do osi x oraz ct, przedstawiają sobą tworzące świetlnego stożka, po którym porusza się światło w sposób naturalny, zgodny z prędkością światła. Wszystkie ciała odczytu, których masa w bezruchu m0 jest równa zeru, poruszają się wewnątrz stożka świetlnego, tj. wewnątrz sektora w którym zawarta jest krzywa hiperboliczna. Na rysunku widać, że szybkość ruchu v = x/t, wzdłuż osi x określa się przez tngens kąta a , a zmianę szybkości sprowadza się do obrotu w płaszczyźnie ct - x.
Rys. 3. Płaszczyzna ct – x, na której przedstawiano ukierunkowujące proste stożka przyszłości (t>0). Nierelatywną szybkość ruchu wzdłuż osi x wylicza się z trójkąta prostokątnego przez tangens kąta wg wzoru: v = x/t = ctga c.
Po czwarte, długość L0 dowolnego obiektu zależy od prędkości i zmniejsza się ze wzrostem jego prędkości. Przy prędkości v = c długość wzdłuż kierunku ruchu przekształca się w zero. Na przykład, obserwator który obserwuje poruszającą się z wielką prędkością kulę, zobaczy zamiast kuli spłaszczony (w kierunku ruchu) dysk.
Po piąte, czas w przestrzeni czterowymiarowej staje się wielkością względną i przepływa różnie, w zależności od szybkości ruchu układu odniesienia. Jeśli astronauci, w locie ku dalekim gwiazdom, będą się poruszać w statku kosmicznym z prędkością bliską do prędkości światła, to ich czas będzie przebiegał wolniej niż na Ziemi.
Ten dziwny z życiowego punktu widzenia wniosek był niejednokrotnie sprawdzony doświadczalnie. Były zmierzone czasy życia niestabilnych (rozpadających się) cząstek elementarnych w zależności od szybkości ich ruchu. Okazało się, że im bliższa szybkość cząsteczek do szybkości światła, tym dłużej one żyją.
Podobnie do płaskiej geometrii Euklidesa, geometria pseudoeuklidesowa sprowadza się do trywialnych równań poruszających się ciał (przypomnijmy, że to są równania ruchu ciał swobodnych i z nieuwzględnieniem jakichkolwiek równań pola). Można powiedzieć, że geometria pseudoeuklidesowa stanowi model czterowymiarowy „absolutnej próżni”. Ten model odpowiada stanowi gdy masy ciał zdążają do zera.
1.4. Względność sił i pól w teorii grawitacji Einsteina.
Dotychczas rozpatrywaliśmy przestrzeń zdarzeń bezwładnościowych systemów odczytu. Na początku były to bezwładnościowe systemy mechaniki Newtona, poruszające się po prostej, bez wzajemnego obrotu. Przestrzeń zdarzeń takich systemów odczytu jest trójwymiarowa i zgodna z geometrią Euklidesa. Potem rozpatrywaliśmy przestrzeń zdarzeń bezwładnościowych systemów odczytu, które poruszają się z prędkościami bliskimi do prędkości światła. W tym przypadku geometria przestrzeni zdarzeń okazała się czterowymiarową, pseudoeuklidesową. Obie te geometrie opisują próżnię, czyli absolutne wakuum, gdzie nie ma żadnej materii lub czegokolwiek.
Teraz przejdziemy do opisu przyśpieszonych systemów odczytu, do częściowo lokalnie bezwładnościowych systemów bez obrotów. Co to są za systemy odczytu?
Wyobraźmy sobie statek kosmiczny, poruszający się wokół Ziemi po stacjonarnej orbicie bez obrotów wokół własnej osi. W statku znajduje się kosmonauta w stanie nieważkości (rys. 4). Widzimy to korzystając z teletranslacji z pokładu statku kosmicznego. Obserwator A znajduje się na Ziemi, i namierzając współrzędne kosmonauty w swoim systemie pomiarowym odkrywa, że porusza się on pod działaniem siły grawitacyjnej Fg. Gdy masa kosmonauty wynosi m to dla obserwatora A jego równanie ruchu wygląda tak: ma = Fg, gdzie a jest przyśpieszeniem kosmonauty odnośnie do obserwatora A. Czyli obserwator widzi, że kosmonauta porusza się ruchem przyśpieszonym (wraz ze statkiem) pod działaniem siły grawitacyjnej.
Rys. 4. Przyśpieszony system odczytu B, jest związany ze statkiem kosmicznym. Statek porusza się lotem swobodnym na orbicie stacjonarnej, bez obrotu wokół własnej osi. System odczytu A znajduje się na Ziemi. Obserwatorzy A i B namierzają współrzędne do kosmonauty, znajdując się każdy w swoim systemie odczytu i otrzymują różne równania ruchu kosmonauty.
Przyjmijmy teraz, że na statku znajduje się obserwator B i dokonuje pomiaru współrzędnych kosmonauty związanych z systemem odczytu dotyczącego statku kosmicznego. Zauważy on, że wewnątrz statku kosmonauta albo znajduje się w stanie spoczynku w stosunku do ścian statku, albo będzie się poruszał po prostej i równomiernie, tak jakby żadne siły na niego nie działały. W rzeczywistości jednak na kosmonautę działają dwie siły, które wzajemnie się kompensują. Jedną z nich jest wciąż ta sama siła Fg, a druga Fi – siła bezwładności (rys.4). Fizykom wiadomo, że w przyśpieszonych systemach odczytu działają siły bezwładności. Np. gdy jeździmy na karuzeli, działa na nas odśrodkowa siła bezwładności, która usiłuje zrzucić nas z karuzeli. Obrót jest związany z ruchem przyśpieszonym.
Teraz staje się zrozumiałe jak określić lokalnie przyśpieszony bezwładnościowy system odczytu pierwszego rodzaju. Jest to taki przyśpieszony system w którym siła zewnętrzna, działająca na ciało odczytu, jest skompensowana siłą bezwładności. W naszym przypadku siłą zewnętrzną okazała się siła grawitacyjna Fg. Takie systemy odczytu wykorzystał A. Einstein tworząc teorię pola grawitacyjnego.
W ten sposób wykazaliśmy, że w teorii Einsteina grawitacyjne pola i siły mają charakter względny, o ile mogą przyjąć wartość zerową (wprawdzie, tylko lokalnie) na drodze przejścia w lokalnie przyśpieszony bezwładnościowy system odczytu. Dalej, A. Einsteinowi udało się ustalić, że odpowiednie współrzędne lokalnie przyśpieszonych, bezwładnościowych systemów tworzą przestrzeń zdarzeń obdarzoną geometrią Riemanna. W odróżnieniu od płaskiej geometrii Euklidesa (lub płaskiej pseudoeuklidesowej geometrii) ta geometria włada krzywizną. Okazało się, że krzywizna geometrii Riemanna zawiera całą niezbędną informację o polach grawitacyjnych i współdziałaniach. Wspomnimy teraz wypowiedź Klifforda o tym, że w świecie nie zachodzi nic, prócz zmiany krzywizny przestrzeni. A. Einsteinowi udało się wykazać to dla wzajemnych oddziaływań grawitacyjnych!
Rys. 5. Ugięcie promienia świetlnego w pobliżu powierzchni Słońca.
1.5. Próżnia Einsteina.
Po wieloletnich poszukiwaniach A. Einstein, po dyskusji z niemieckim matematykiem D. Gilbertem, odkrywa w 1915 r. znakomite równania Einsteina, które opisują pola grawitacyjne poprzez krzywiznę przestrzeni zdarzeń. Zgodnie z tymi równaniami ciało masywne wykrzywia przestrzeń-czas wokół siebie. W jego teorii są zawarte dwa komponenty: przestrzeń-czas i materia. Materia występuje na tle przestrzeni-czasu, zakrzywiając ją. Jeśli usunąć materię, to przestrzeń staje się płaska (pseudoeuklidesowa). W taki sposób przestrzeń-czas uzyskuje sprężyste właściwości, które przejawiają się poprzez zakrzywienie jej geometrii. Naocznie, można w ten sposób zamodelować proces fizyczny odchylenia promienia światła, pokazanego na rys. 5. Wyobraźmy sobie teraz obszar trójwymiarowej przestrzeni, zapełniony przezroczystą gumą. Wysyłając promień światła w różnych kierunkach wewnątrz tej gumy zobaczymy, że rozchodzi się ono zawsze prostoliniowo. Jest to model przestrzeni płaskiej, czyli „absolutnej próżni”.
Zamieśćmy teraz wewnątrz owej gumy kulkę z jakiegokolwiek twardego materiału. W wyniku tego, w pobliżu powierzchni kulki pojawi się niejednorodność z powodu wyciśnięcia przez kulkę części objętości gumy. Jeśli teraz przepuścimy promień światła w pobliżu powierzchni kulki, to będzie on przebiegał po pewnej krzywej, z powodu niejednorodności gumy. W tym przypadku niejednorodny kawałek przezroczystej gumy modeluje zakrzywioną przestrzeń, czyli pobudzoną próżnię.
Teraz można twierdzić, że zgodnie z teorią Einsteina, próżnia fizyczna to pusta (bez materii) przestrzeń-czas, zawieraca sprężyste właściwości. Właściwości te przejawiają się wówczas gdy w pustej przestrzeni pojawia się pewna masa. Ponadto, teoria zawiera tzw. próżniowe równania Einsteina, które opisują grawitacyjne pola materii, tj. w czystym stanie sprężyste właściwości pustej przestrzeni-czasu. Próżniowe równania Einsteina są czysto geometryczne i nie zawierają żadnych fizycznych dodatków. Tak też być powinno jako, że próżnia nie może charakteryzować się czymkolwiek konkretnym. Jeśli próżnię nadzielimy jakimikolwiek fizycznymi konstantami, będzie to już coś zrodzonego z próżni.
1.6. Próżnia Dirac’a.
Zwróćmy uwagę na bardzo ważny moment. Przy tworzeniu teorii grawitacji Einstein nie był zorientowany na eksperyment. Istotna część jego teorii jest związana z geometrycznymi właściwościami przestrzeni zdarzeń lokalnie przyśpieszonych bezwładnościowych systemów odczytu pierwszego rodzaju. Wystarczy wiedzieć, że przestrzeń zdarzeń takich systemów obdarzono strukturą geometrii Riemanna. Jak już wynika z tego faktu, równania ruchu masy w dowolnym polu grawitacyjnym – to są równania geodezyjnych! Teorie tej klasy można nazwać dedukcyjnymi.
Większość teorii fizycznych tworzy się na podstawie uogólniania eksperymentalnych danych częściowych. Teorie takie należą do klasy teorii indukcyjnych. Przykładem teorii indukcyjnej jest teoria Newtona, termodynamika, elektrodynamika, mechanika kwantowa i jej najbardziej rozwinięta część – elektrodynamika kwantowa. Na dzień dzisiejszy elektrodynamika kwantowa, której założycielem, wg prawa, jest P. Dirac, stanowi przykład najszerzej opracowanej teorii fizycznej. Wnioski teoretyczne, wynikające z jej równań, są zgodne z wynikami doświadczenia, z dużą dokładnością (do wielkości rzędu 10-7). Niemniej nie doświadczenie jest tu istotne. Spełnia ono jedynie kryterium prawdy. Rzecz w tym, że analiza równań elektrodynamiki kwantowej pozwala wyjaśnić szereg trudności prowadzących do sprzecznych wniosków i wskazują na niekompletność równań elektrodynamiki kwantowej. Dirac rozumiał to dobrze i gorąco twierdził, że „prawidłowy wniosek polega na tym, że podstawowe równania są nieprawidłowe”. Gdyby tych słów nie powiedział Dirac lecz jakikolwiek inny, nawet uznany teoretyk, wszyscy pozostali fizycy uznaliby że on zwariował!
Równania które odkrył Dirac ukazują, że w przyrodzie istnieją cząstki z energią ujemną – elektrony, i antycząstki – pozytrony, mające energię dodatnią. Powstają one parami: elektron – pozytron, w próżni fizycznej. Próżnia zawiera ukryty stan elektronów i protonów. W zasadzie (przeciętnie) próżnia fizyczna nie zawiera ani masy ani ładunku, ani jakichkolwiek innych charakterystyk fizycznych. Jednak w małych obszarach przestrzennych próżni (rzędu 10-33) wielkości charakterystyk fizycznych mogą być różne od zera i na małych odstępach spontanicznie fluktuować. W próżni przebiegają stale procesy powstawania i zaniku cząstek i antycząstek różnego rodzaju. Mówiąc obrazowo, w małych przestrzenno-czasowych obszarach próżnia jest podobna do „kipiącej zupy”, złożonej z cząstek elementarnych. Dlatego w teorii kwantowej powstało pojęcie o próżni fizycznej jako o „kwantowym płynie”, pozostającym w wiecznym ruchu. Taki „płyn” jest opisywany równaniami hydrodynamiki kwantowej i posiada właściwości sprężyste podobnie jak w próżni Einsteina. Dla fizyków ważne jest pytanie jak połączyć równania, które opisują próżnię Einsteina i próżnię Dirac’a, aby uzyskać prawidłowe o nich pojęcie. W tym zakresie poglądy fizyków są mocno zróżnicowane.
1.7. Zapowiedź przyszłości fizyki Einsteina.
Z żalem trzeba zauważyć, że w ostatnich czterdziestu latach nastąpiła demokratyzacja fizyki w gorszym znaczeniu tego słowa. W trakcie przyjmowania ważnych dla rozwoju fizyki rozwiązań biorą udział wielkie kolektywy ludzi dalekich od strategicznego myślenia. We wszystkich podstawowych kierunkach rozwoju istnieje zbiorowe zdanie, które zawiesza ciężkie kajdany na wszelkiej oryginalnej myśli. Nawet Einstein, uczony który wniósł wkład do rozwoju trzech współczesnych teorii - teorii kwantowej, szczegółowej i ogólnej teorii względności – podlegał tej życiowej obstrukcji. Jego punkt widzenia na fizyczną treść współczesnej mechaniki kwantowej nie była akceptowana przez większość badaczy. Już Kartezjusz zauważył, że przy rozwiązywaniu trudnych problemów większość, z zasady, myli się.
Można by z tym się zgodzić gdyby nie kolosalne straty materialne, które ponosi społeczeństwo z powodu błędnych rozwiązań naukowych. Do takich rozwiązań można zaliczyć problem ukierunkowanej reakcji termojądrowej bez fundamentalnej teorii sił jądrowych, budowa superprzyśpieszaczy i planowanie eksperymentów bez teorii cząstek elementarnych, itd. W takich warunkach znaczenie prac strategicznych, które może ocenić ograniczona liczba uczonych, jest bezcenne.
Wszystkich badaczy, zajmujących się fizyką teoretyczną, można podzielić na trzy wielkie grupy: strategów, praktyków i operatorów.
Stratedzy opracowują fundamentalne teorie, które określają rozwój fizyki na dziesiątki lub nawet setki lat. Przez fundamentalne teorie rozumie się odkrycie nowych fizycznych równań. Równania te są oparte na nowych fizycznych zasadach o ogólnym charakterze (mechanika Newtona, szczegółowa i ogólna teoria względności Einsteina). Teoretyczne ustalenia fundamentalnych teorii absolutnie dokładnie sprawdzają się w tych dziedzinach gdzie założenia i równania teorii są słuszne. Do teoretyków-strategów można zaliczyć tylko dwóch uczonych: I. Newtona oraz A. Einsteina.
Taktycy szczegółowo opracowują oddzielne fragmenty strategicznych odkryć. Wśród nich są uczeni, którzy są w stanie ocenić jeszcze nie uznane przez społeczność naukową odkrycie strategiczne. Są to uczeni tej klasy co: D.J. Maxwell, M. Planck, E. Schrodinger, P. Dirac, W. Pauli i liczni inni znani uczeni.
Większość znanych fizyków-teoretyków zajmuje się pracami operatywnymi. Jest to, przede wszystkim, opracowanie fenomenologicznych (opisowych) teorii, władających ograniczoną, przewidującą mocą. Do takich badań należą teorie silnych i słabych oddziaływań. Do badań operatywnych należy też rozwiązywanie konkretnych zadań, wskazanych przez strategiczną lub taktyczną fizykę. Do prac operatywnych należy także opracowanie nowych matematycznych metod służących do rozwiązywania znanych już równań fundamentalnych. Do znanych teoretyków operatywnych należą: A. Zommerfeld, L. Landau, D. Schwinger, M. Gell-Mann, A. Salam, S. Weinberg, i inni. Teoretycy operatywni z zasady wspaniale władają aparatem matematycznym i posiadają encyklopedyczną wiedzę w dziedzinie fizyki. Szybko zyskują uznanie środowiska naukowego i właśnie oni tworzą „powszechną opinię” odnośnie do różnych złożonych problemów fizycznych, sprowadzając je do zagadnień matematycznych.
Jednak w fizyce prac strategicznych nie było i nie ma problemów matematycznych. Są tylko problemy fizyczne. To doskonale rozumiał A. Einstein.
Po zakończeniu pracy nad teorią grawitacji, w której pola grawitacyjne mają względną naturę, Einstein rozpoczął poszukiwanie ogólnej teorii pola. Zakładał on, że fizyka powinna być jednolita i że istnieją równania, które opisują wszystkie zjawiska przyrodnicze. Program budowy ogólnej teorii pola jest strategicznym problemem fizyki. Einstein podzielił te badania na dwie części:
a) program minimum, przewidujący odkrycie takich równań elektrodynamiki, które doprowadzą do geometrycznego opisu elektromagnetycznych wzajemnych oddziaływań, podobnie jak w teorii grawitacji Einsteina;
b) program maksimum, przedstawiający odkrycie równań geometryzowanej teorii kwantowej na drodze dalszego rozwoju teorii względności.
W dalszym ciągu przedstawimy jak rozwój tych programów doprowadza nas do teorii próżni fizycznej, do nowego światopoglądu i do nowych technologii.
1.8. Względność pola elektromagnetycznego w geometryzowanej elektrodynamice.
Nauce znane są dwie teorie pola grawitacyjnego: teoria Newtona i teoria Einsteina. Teoria Newtona powstała na drodze indukcyjnej, na podstawie mnogich danych doświadczalnych. Teoria grawitacji Einsteina nie opiera się na danych doświadczalnych i powstała na drodze dedukcyjnej. Einsteinowi wystarczyło założyć, że przestrzeń współrzędnych względnych, lokalnie przyśpieszonych bezwładnościowych systemów odczytu pierwszego rodzaju (swobodnie opadającej windy), nadzielonych geometrią Riemanna, pozwala otrzymać równania ruchu, a więc równania pola jego teorii.
Nic nie przeszkadza nam uczynić to samo przy geometryzacji równania pola elektromagnetycznego, realizując przy budowie teorii pola einsteinowski program minimum. Dlatego załóżmy, że w elektrodynamice istnieją lokalnie przyśpieszone bezwładnościowe systemy odczytu pierwszego rodzaju, związane z naładowanymi cząstkami. Oznacza to, że w zjawiskach elektromagnetycznych istnieją takie sytuacje, gdy ładunek porusza się z przyśpieszeniem, ale także lokalnie, w każdym punkcie trajektorii. Zewnętrzna siła elektromagnetyczna jest w całości kompensowana (równoważona) siłą bezwładności. W wyniku tego taki ładunek w każdym punkcie krzywoliniowej trajektorii będzie lokalnie poruszał się bezwładnościowo, tj. jednostajnie i po prostej, bezobrotowo. Co więcej, wobec bezwładnościowego ruchu w każdym punkcie trajektorii ładunek nie będzie emitował fal elektromagnetycznych zarówno lokalnie jak i wzdłuż całej krzywoliniowej trajektorii, pomimo że jago ruch jest przyśpieszony!
Rys. 6. Przejście elektronu ze stałego poziomu 1 na stały poziom 2. Na poziomach 1 i 2 siła elektromagnetyczna Fe jest równoważona przez siłę bezwładności Fi. Promieniowanie elektromagnetyczne pojawia się gdy Fe > Fi.
Ten paradoksalny, na pierwszy rzut oka, pogląd ma jednak potwierdzenie doświadczalne. Istotnie z analizy spektrów atomowych wynika, że podczas ruchu elektronu wokół jądra elektron posiada stałą orbitę po której porusza się ruchem przyśpieszonym, ale bez promieniowania. Obserwowalna stałość orbity atomowej elektronu była wniesiona przez N. Bora jako pryncypium fizyczne przy tworzeniu kwantowej teorii atomu. Uczony ten, pod naciskiem danych doświadczalnych, wprowadził postulat stałości elektronicznych orbit w atomie. Postulat ten staje się jednak zbędny gdy z elektronem w atomie jest związany lokalnie przyśpieszony bezwładnościowy system odczytu pierwszego rodzaju (rys. 6). W nowej elektrodynamice, tak jak w teorii grawitacji Einsteina, przestrzeń zdarzeń odpowiednich współrzędnych przyśpieszonych systemów odczytu, związanych z ładunkami, objęto strukturą geometrii Riemanna. Dlatego równania ruchu ładunku w geometryzowanej elektrodynamice są zgodne z równaniami geodezyjnych w przestrzeni Riemanna. Do równań tych są włączone pola elektromagnetyczne które można, poprzez przesunięcia układów współrzędnych, lokalnie sprowadzić do zera. Inaczej mówiąc, pole elektromagnetyczne, w lokalnie geometryzowanej elektrodynamice, ma naturę względną. Ponieważ siły elektromagnetyczne są „zrodzone” z pól elektromagnetycznych – to są one także względne. Na rys. 7 schematycznie pokazano jak zmiany układów współrzędnych powodują, że siły elektromagnetyczne, w geometryzowanej elektrodynamice, okazują się względne.
Rys. 7. Elektron –e porusza się po stałej orbicie wokół jądra atomu z ładunkiem +e. Na lewym rysunku obserwator widzi ruch elektronu pod działaniem siły zewnętrznej Fe. Na prawym rysunku obserwator odkrył w lokalnie bezwładnościowym systemie prostoliniowy i równomierny ruch elektronu.
Na rysunku 7l obserwator znajduje się w bezwładnościowym systemie odczytu, związanym z jądrem atomowym, mającym ładunek +e. Dokonując pomiaru względnych współrzędnych swego systemu odczytu i przyśpieszonego systemu, związanego z elektronem –e o masie m dostrzega, że elektron porusza się z przyśpieszeniem pod działaniem siły Fe. Siła ta jest wywołana elektromagnetycznym polem jądra. Wykorzystując zmiany współrzędnych, obserwator może przenieść się do przyśpieszonego systemu odczytu (rys. 7p). Na rysunku 7p znajduje się on w lokalnie przyśpieszonym bezwładnościowym systemie odczytu w pobliżu elektronu. W tym systemie odczytu widzi, że lokalnie elektron albo znajduje się w stanie spoczynku albo porusza się równomiernie po prostej, bez obrotów, o ile lokalna siła zewnętrzna Fe jest kompensowana siłą bezwładności Fi. Z punktu widzenia lokalnego obserwatora nie zachodzi oddziaływanie jakiegokolwiek pola na elektron. Wskazuje to właśnie na względność pola elektromagnetycznego.
Z rozważań tych można dojść do wniosku, że w geometryzowanej elektrodynamice jest możliwy ruch przyśpieszony poprzez bezwładność. W tym celu naładowanej cząstce wystarczy poruszać się zgodnie z równaniami geodezyjnych przestrzeni Riemanna. Przy tym ta przestrzeń powinna być przedstawiona mnogością względnych współrzędnych, lokalnie przyśpieszonych bezwładnościowych systemów odczytu, związanych z ładunkami. Dlatego w geometryzowanej elektrodynamice istnienie stacjonarnych orbit elektronów w polu jądra (kwantowa zasada Bora) jest skutkiem przyśpieszonego ruchu ładunków wywołanych bezwładnością.
Wniosek ten potwierdza przypuszczenie Einsteina o możliwości znalezienia bardziej ogólnej teorii na drodze poszerzenia zasady względności. W istocie pojawienie się orbity stacjonarnej elektronu w geometryzowanej elektrodynamice wskazuje na możliwość rozszerzenia zasady względności elektrodynamiki Maxwella-Lorentza-Einsteina do ogólnej zasady względności.
1.9. Względność obrotowa i obrotowe współrzędne.
W życiu codziennym obserwujemy dwa typy ruchu ciał: ruchy postępowe i ruchy obrotowe. Ruch kół samochodu w odniesieniu do jego nadwozia jest ruchem obrotowym. Ruch postępowy ciał opisuje się w fizyce współrzędnymi postępowymi: x, y, z. Do opisu ruchu obrotowego wykorzystuje się współrzędne obrotowe: ф1, ф2, ф3 (mogą to być kąty Eulera).
Mechanika Newtona, elektrodynamika Maxwella-Lorentza-Einsteina, teoria grawitacji Einsteina i geometryzowana elektrodynamika są sporządzone tak, że wykorzystywane przez te teorie systemy odczytu przedstawiają mnogość odpowiednich współrzędnych postępowych (Tabela 1). W Tabeli pokazano także odpowiednie wielkości fizyczne, przy tym każda teoria bardziej złożona zawiera wszystkie odpowiednie wielkości i dodaje jeszcze swoje. Na przykład w elektrodynamice Maxwella- Lorentza-Einsteina, która wykorzystuje czterowymiarowe bezwładnościowe systemy odczytu, energia kinetyczna ruchu postępowego ładunków jest względna, tak jak w mechanice Newtona. Ale w niej dodatkowo ukazują się względne: długość obiektu i czas jego życia. W teorii grawitacji Einsteina i w geometryzowanej elektromechanice jest względne wszystko to co i w elektrodynamice Maxwella-Lorentza-Einsteina, a ponadto okazują się względnymi odpowiednio pola grawitacyjne i elektromagnetyczne.
Łatwo zauważyć, że tabela ta nie zawiera współrzędnych obrotowych ф1, ф2, ф3. Jest to zrozumiałe, gdyż wymienione w tabeli systemy odczytu z założenia nie obracają się. Dlatego można powiedzieć, że dotychczas teoria względności rozwijała się jako teoria względności translacyjnej.
Następny krok w rozwoju teorii względności potrzebował wprowadzenia różnorodności względnych współrzędnych przyśpieszonych systemów odczytu, które obracają się w swym ruchu. Takie systemy odczytu poruszają się nie tylko we współrzędnych translacyjnych lecz także we współrzędnych obrotowych. Teoria, w której wykorzystuje się współrzędne obrotowe, potrzebuje zwiększenia rozmiarów przestrzeni zdarzeń. Na przykład, jeśli rozpatruje się trójwymiarowe systemy obrotowe odczytu ze współrzędnymi x, y, z to dodatkowo wprowadza się trzy współrzędne obrotowe. W takim przypadku przestrzeń zdarzeń jest sześciowymiarowa. Jeśli rozpatrujemy czterowymiarowe obrotowe systemy odczytu to przestrzeń będzie już dziesięciowymiarowa, jako że w czterowymiarowej przestrzeni współrzędnych translacyjnych x, y, z, ct, jest część współrzędnych obrotowych: trzy kąty przestrzenne ф1, ф2, ф3, i trzy kąty pseudoeuklidesowe q1, q2, q3.
Współrzędne translacyjne (postępowe) i obrotowe mają istotnie różne właściwości. Współrzędne postępowe należą do klasy całkowalnych. Ruch całkowalnych współrzędnych charakteryzuje się tym, że nie zależą one od kierunku drogi prowadzącej do tego samego punktu przestrzeni.
Rys. 8. Wynik ruchu we współrzędnych całkowalnych x, y, z nie zależy od kolejności drogi ruchu.
Właściwość tę przedstawiono poglądowo na rys. 8, gdzie pokazano ruch na współrzędnych całkowalnych x, y, z, od początku współrzędnych 0 do punktu P po odcinkach 1, 2, 3 wzdłuż osi 0x, 0y, 0z. Na rys. 8a ruch zaczyna się wzdłuż osi x na odległość odcinka 1, po czym wzdłuż osi y na odległość odcinka 2 i wreszcie wzdłuż osi z na odległość odcinka 3. W wyniku dochodzimy do punktu P. Na rys. 8b kolejność ruchu jest inna. Ruch zaczyna się wzdłuż osi y na odległość odcinka 2, następnie wzdłuż osi x na odległość odcinka 1 i na koniec wzdłuż osi z na odległość odcinka 3. I znów dochodzimy do punktu P. Ten sam wynik otrzymujemy gdy zaczynamy ruch wzdłuż osi z, jak pokazano na rys. 8c.
W odróżnieniu od współrzędnych całkowalnych x, y, z przy ruchu w układzie współrzędnych niecałkowalnych ф1ф2ф3 wyniki dwóch obrotów na określone kąty zależą od kolejności tych obrotów. W celu zilustrowania tego twierdzenia prześledzimy dwa kolejne obroty wokół osi x oraz z o 900 (rys. 9 i 10).
Rys. 9. Dwa kolejne obroty o kąt 1800: a) obrót o kąt 900 na strzałce czasowej wokół osi z; b) to samo wokół osi y; c) wynik dwóch kolejnych obrotów.
Rys. 10. Zmiana kolejności obrotów w odpowiednich układach współrzędnych, o kąt 1800: a) obrót o 900 na strzałce czasowej wokół osi y; b) to samo wokół osi z; c) wynik dwóch kolejnych obrotów.
Na rysunkach widać, że wyniki dwóch zakończonych obrotów wokół osi y i z zależą od kolejności tych obrotów (miejsca kwadratu z gwiazdką na rys. 9c i 10c są różne).
1.10. Pola torsyjne i względność obrotu.
Najprostszym przykładem ruchu obrotowego jest obracający się dysk.
Rys. 11. Na środek masy jednorodnego obracającego się dysku działają we wszystkich kierunkach skompensowane centrobieżne siły bezwładności. Określa się, że jest to lokalnie bezwładnościowy system drugiego rodzaju.
Na rys. 11 przedstawiono jednorodny dysk, obracający się ze stałą częstotliwością w wokół osi przechodzącej przez jego środek 0. Od razu zauważymy, że jeśli dysk byłby zamieszczony w idealnych warunkach, gdy nie działają nań żadne czynniki zewnętrzne, to dzięki sile bezwładności będzie on obracał się dowolnie długo. Stanowi to bardzo poglądowy przypadek bezwładnościowego ruchu przyśpieszonego. Istotnie, każda część dysku, posiadająca masę Δm, porusza się po okrągłej orbicie, a więc z przyśpieszeniem.
Poprzednio badaliśmy lokalnie przyśpieszone bezwładnościowe systemy odczytu pierwszego rodzaju, w których na obiekt odczytu lokalnie działała siła zewnętrzna, kompensowana siłą bezwładności (rys. 4). Pokazano tam, że w tym przypadku obiekt odczytu pomimo, że poruszał się z przyśpieszeniem, ale bezwładnościowo, zgodnie z równaniami geodezyjnych riemannowskiej przestrzeni. Swobodny ruch obrotowy dysku przedstawia nam drugi przykład bezwładnościowego ruch przyśpieszonego. Jednak w tym przypadku mamy do czynienia z drugą klasą przyśpieszonych systemów odczytu, a mianowicie z lokalnie przyśpieszonymi bezwładnościowymi systemami odczytu drugiego rodzaju. Takie systemy tworzą się w przypadku gdy na centrum mas obiektu odczytu działają skompensowane siły bezwładności.
Na rys. 11 podano przykład lokalnie przyśpieszonego bezwładnościowego systemu odczytu drugiego rodzaju. Poszczególne współrzędne wektora e1, e2, e3 systemu B są ściśle związane z obracającym się dyskiem. W systemie B na centrum mas dysku działają skompensowane centrobieżne siły bezwładności symetrycznie, we wszystkich kierunkach powierzchni dysku. W wyniku centrum mas dysku jest w stanie spoczynku lub porusza się jednostajnie po prostej (ale już z obrotem) w stosunku do drugiego takiego systemu A (rys. 11).
Rys. 12. Gumowy dysk jest pokryty siatką pomiarową: a) dysk nie obraca się; b) dysk obraca się z prędkością kątową w. W wyniku obrotów zwiększa się średnica (d<D), zmienia się jego wewnętrzna geometria.
Załóżmy teraz, że system A nie obraca się, a porusza się równomiernie i prostoliniowo, tzn. jest bezwładnościowy. Obserwator w systemie A widzi, że dysk obraca się w stosunku do jego systemu odczytu z kątową prędkością w. Widzi też, że początek 0 systemu odczytu B (tylko jeden punkt) jest nieruchomy lub porusza się w stosunku do niego równomiernie i po prostej, chociaż system odczytu B jest przyśpieszony! Ponadto obserwator A widzi, że obracający się dysk podlega działaniu sił bezwładności, które działają na każdy element dysku. Gdyby dysk był absolutnie twardym ciałem (odległość między punktami takiego ciała nie zmienia się, bez względu na jakiekolwiek siły nań działające), to jego kształt nie uległby zmianie. Jednak przy obrocie rzeczywistego dysku jego kształt zmienia się z powodu działania sił bezwładności (rys. 12).
Jeśli siły bezwładności działają na wszystkie punkty obracającego się dysku to ma sens mówienie o polu sił bezwładności. Swoją drogą siły bezwładności pochodzą z pola torsyjnego, które pojawia się gdy zachodzi obrót jakichkolwiek obiektów. Słowo torsyjne pochodzi od angielskiego torsion, co oznacza skręcanie. Pierwotnie skręcanie było w nauce związane z obrotem przyjętym przez francuskiego matematyka J. Frene, który związał prędkość kątową obrotu w ze skręcaniem x wg wzoru:
w = x v
gdzie v jest prędkością liniową. Podczas obrotu dysku w każdym jego punkcie tworzy się pole skręcania x, wywoływane przez pole sił bezwładności. Gdy prędkość kątowa v obrotu dysku jest stała (w = const), wówczas skręcanie ma postać:
x = 1/r
gdzie r jest odległością od osi obrotu do odpowiedniego punktu na dysku. W wyniku ze wzoru Frene otrzymujemy znany w mechanice wzór ruchu obrotowego:
x = v/r
Na rys. 12 przedstawiono obracający się dysk gumowy, który deformuje się i zmienia swą wewnętrzną geometrię z powodu pojawienia na obracającym się dysku pola torsyjnego (pola skręcania). Pozostaje tylko ustalić geometrię przestrzeni zdarzeń i odpowiednie równania geodezyjnych, które opisują ruch lokalnie przyśpieszonych bezwładnościowych systemów odczytu drugiego rodzaju.
Przeprowadzone badania wykazały, że wewnętrzna geometria dysku ze skręceniem x odpowiada geometrii niemieckiego matematyka R. Weitzenberga. W odróżnieniu od geometrii Riemanna, geometria Weitzenberga włada nie tylko krzywizną przestrzeni ale i jej skręcaniem.
Ze wzoru w = x v wynika, że skręcanie przyjmuje wartość zerową gdy równa jest zeru prędkość kątowa obrotu w. Przy wykorzystaniu przekształcenia współrzędnych translacyjnych x, y, z niemożliwe jest przyrównanie kątowej prędkości obrotu do zera. W tym celu konieczne jest wykorzystanie przekształcenia współrzędnych kątowych ф1, ф2, ф3. Przy pomocy tych przekształceń można przejść do systemu odczytu, który obraca się w tę stronę i z taką prędkością kątową jak system B i którego początek pokrywa się z początkiem systemu B. W tym systemie w = 0 i, odpowiednio, prędkość kątowa okazuje się prędkością względną. Zauważmy, że przy tym przestrzeń zdarzeń powinna być co najmniej sześciowymiarowa.
1.11. Względność sił i pól bezwładności.
Od czasów Newtona fizyków zajmowały najbardziej zagadkowe siły przyrody: siły bezwładności, które przejawiają się w przyśpieszonych systemach odczytu. Ponad trzysta lat temu Newton zapytał uczonych dlaczego powierzchnia wody w wiadrze zakrzywia się, jeśli biorąc do ręki obraca się wiadrem nad głową? Przyczyną tego zakrzywienia jest centrobieżna siła bezwładności
Fi = - mrw2
działająca na masę wody w wiadrze. We wzorze tym m to masa wody, w – prędkość kątowa obrotu wiadra, r – promień obrotu. Ta sama siła działa w obracającym się bębnie pralki na kroplę wody w mokrej bieliźnie, zapewniająca szybki odpływ wody podczas obrotu bębna.
W celu wyjaśnienia natury sił bezwładności Newton wprowadził do mechaniki pewną nieobserwowalną w praktyce absolutną przestrzeń. Według wyjaśnień uczonego, mianowicie przy ruchu przyśpieszonym odnośnie do nieobserwowalnej absolutnej przestrzeni, przejawiają się siły bezwładności. Rzeczywiście, w celu wyjaśnienia sił bezwładności Newton wpierw wprowadza pojęcie absolutnej próżni, o której mówiliśmy wcześniej. Fizykom trudno było operować obiektem, którego nie postrzega się w bezpośrednim doświadczeniu. Ponadto, wprowadzenie absolutnej przestrzeni jednoznacznie ustanawiało, że w przyrodzie istnieje klasa absolutnych systemów odczytu, związanych z absolutną przestrzenią.
Te ustalenia wstrzymywały rozwój teorii względności. Dlatego na początku dwudziestego wieku E. Mach zaproponował fizykom odrzucenie pojęcia absolutnej przestrzeni i ukazał inne wyjaśnienie przyczyny pojawienia się sił bezwładności.
Mach ustalił, że siły bezwładności powstają zawsze, gdy zaczyna się przyśpieszony ruch względnie odległych mas gwiezdnych rozmieszczonych we wszechświecie. Z punktu widzenia zdrowego rozsądku założenie Macha zawiera także istotne braki, o ile zakłada, że źródło sił bezwładności nie jest lokalne i jest oddalone od nas na olbrzymie odległości. Równocześnie wiadomo, że siły bezwładności zaczynają pojawiać się gdy tylko pojawi się ruch przyśpieszony. Następnie, ustalenie Macha zakłada ponadświetlne rozszerzenie wzajemnych oddziaływań z udziałem sił bezwładności.
Nowy punkt widzenia na naturę sił bezwładności polega na tym, że siły te posiadają pochodzenie lokalne i powstają ze skręcenia przestrzeni, interpretowanego w mechanice jako pole bezwładności.
Fizykom znane są tylko cztery typy sił bezwładności i wszystkie one wynikają z pól bezwładności (z pól skręcania). Przypomnijmy, że w teorii grawitacji jest znana jedna siła – newtonowska siła grawitacyjnego przyciągania. W teorii pola elektromagnetycznego wyróżnia się dwie siły: elektryczną i magnetyczną. A sił bezwładności jest cztery i wszystkie powstają przy obrotach materii, a właśnie obroty materii wywołuje pojawienie się sił torsyjnych (czyli pól bezwładności).
Wyliczmy pozostałe trzy siły bezwładności.
siła Coriolisa:
F2 = - 2mwv
siła powstająca przy przyśpieszonym obrocie:
F3 = - mεr
gdzie ε jest przyśpieszeniem kątowym; i na koniec, postępowa siła bezwładności:
F4 = - mW
gdzie W jest postępowym przyśpieszeniem.
Postępowa siła bezwładności powstaje przy przyśpieszonym ruchu postępowym. Na przykład, gdy siedzimy w fotelu samolotu, który zaczyna się rozpędzać do lotu. Czujemy jak wciska nas do fotelu jakaś siła. Jest to działanie postępowej siły bezwładności. Zachodzi pytanie, jaki stosunek do obrotu ma postępowa siła bezwładności, jeśli występuje ona przy postępowym przyśpieszeniu? Niemniej, z punktu widzenia czterowymiarowej przestrzeni zdarzeń postępowe przyśpieszenie jest także obrotem, lecz obrotem w przestrzenno-czasowych płaszczyznach (rys. 3).
Fizycy ustalili doświadczalnie, że siły bezwładności działają tylko w przyśpieszonych systemach odczytu. Przy pomocy przekształcenia układów współrzędnych, które odpowiadają przechodzeniu z przyśpieszonego systemu odczytu do systemu bezwładnościowego, siły bezwładności zerują się. W taki sposób siły bezwładności uzyskują względny charakter. Ta ich właściwość skłania niektórych badaczy do uznania ich za nierealne. Sprawa staje się kuriozalna. W jednym z uniwersytetów technologicznych wykłada się studentom mechanikę teoretyczną mówiąc, że siły bezwładności są fikcyjne, gdyż można je wyzerować przekształceniem współrzędnych. Wygodnie jest wykorzystywać je jedynie w przyśpieszonych systemach odczytu do rozwiązania niektórych zadań. Przez pewien czas studentom wykłada się o detalach maszyn, gdzie rozpatruje się konstrukcję turbiny silnika, która obraca się z wielką prędkością kątową. Przy tym mówi się, że jeśli nie uwzględnić wynikających przy obrocie turbiny sił bezwładności, to przy niedostatecznej wytrzymałości materiału, mogą one zniszczyć jej łopatki. Biedni studenci! Oni nie mogą pojąć, jak to te fikcyjne siły mogą zniszczyć metaliczne elementy turbiny.
Bezwarunkowo, siły bezwładności należy rozpatrywać jako realne. Ale siły te są obdarzone osobliwymi polami – polami bezwładności. Pola te można traktować, w naszym życiu codziennym, jak przejawienia pól torsyjnych.
Jeżeli w systemach bezwładnościowych odczytu siły bezwładności zerują się, to okazuje się, że tworzące je pola bezwładności w bezwładnościowych systemach są różne od zera. W fizyce odkryto coś takiego po raz pierwszy. Zwykle wyzerowania, np. siły grawitacyjnej, oznacza równość zeru pola grawitacyjnego, które tworzy tę siłę. Prawo to spełnia się także dla innych pól fizycznych. Pola bezwładności przedstawiają sobą różnorakość pola torsyjnego, dla których (pól bezwładności) wyzerowanie wywołanych nim sił nie oznacza równości zeru samego pola.
Pole bezwładności może być sprowadzone do zera poprzez przeobrażenie współrzędnych obrotowych. Widać to wyraźnie ze wzoru Frene w =xv, który ustala związek między kątową częstotliwością obrotu w i skręcaniem x (jednej z komponent pola torsyjnego). Ustawiając współrzędne obrotowe tak, aby w = 0, zerujemy skręcanie x (tj. pole bezwładności). Czyli, pole bezwładności jest względne, o ile zawsze można znaleźć system odczytu, w którym jego wartość jest równa zeru.
1.12. Trzy rodzaje przestrzeni Weitzenberga.
Wprowadzenie względności obrotowej do fizyki pozwoliło odkryć nowe pola fizyczne, nazywane torsyjnymi. Pola te występują w obrotowych systemach odczytu. Jak już zaznaczono poprzednio, przestrzeń zdarzeń współrzędnych względnych obrotowych systemów odczytu (lokalnie przyśpieszonych bezwładnościowych systemów drugiego rodzaju) ma strukturę geometrii Weitzenberga. Ogólnie, przestrzeń Weitzenberga posiada różną od zera riemannowską krzywiznę i skręcanie, wprowadzone po raz pierwszy przez włoskiego matematyka Rischa. Jednym z komponentów skręcania jest skręcanie Frene’a x. Przestrzeń Weitzenberga (w matematyce czasem nazywana przestrzenią absolutnej równoległości) sformułowano tak, że w ogólnym przypadku skręcanie przestrzeni występuje jako źródło krzywizny riemannowskiej (rys. 13 c).
Prostszą przestrzenią absolutnej równoległości jest trójwymiarowa przestrzeń Euklidesa (przypadek trójwymiarowy) lub czterowymiarowa przestrzeń pseudoeuklidesowa. Skręcenie i krzywizna tych przestrzeni są równe zeru o ile opisują one próżnię absolutną (rys. 13 a).
Rys. 13. Różne przypadki przestrzeni absolutnej równoległości: a) przestrzeń płaska (riemannowska krzywizna R i skręcenie Rischa T są równe zeru); b) przestrzeń z zerową riemannowską krzywizną R i z różnym od zera skręceniem Rischa T;c) przestrzeń z niezerową krzywizną R i z niezerowym skręceniem T.
Przypomnijmy, że przestrzeń zdarzeń względnych współrzędnych bezwładnościowych systemów odczytu posiada strukturę przestrzeni Euklidesa (przypadek trójwymiarowy) lub przestrzeni pseudoeuklidesowej (przypadek czterowymiarowy).
Przestrzenie te stanowią prostszy typ geometrii absolutnej równoległości i nie zawierają bogatej fizycznej informacji. Rozpatrzymy teraz sytuację, gdy nie ma żadnych pól oprócz pól bezwładności. Można, na przykład, rozpatrywać przestrzeń zdarzeń względnych współrzędnych przyśpieszonych lokalnie bezwładnościowych systemów odczytu drugiego rodzaju (rys. 11). Oczywiście badamy idealny przypadek, gdy można pominąć grawitacyjne, elektromagnetyczne i inne pola ciała odczytu (w tym przypadku dysku). Wówczas riemannowska krzywizna przestrzeni zdarzeń jest równa zeru. W rezultacie otrzymujemy przestrzeń zdarzeń ze strukturą geometrii absolutnej równoległości, w której skręcanie Rischa jest różne od zera, a krzywizna Riemanna jest równa zeru (rys. 13 b).
W odróżnieniu od niezasobnej płaskiej geometrii, odpowiadającej absolutnej próżni, geometria ta posiada strukturę, która opisuje pewne pierwotne wiry (czyli pierwotnie pobudzoną próżnię). Posiadamy teraz zasobne równania, którym są podporządkowane pierwotne pola torsyjne, nie tworzące riemannowskiego zakrzywienia przestrzeni, ale prowadzące do jej skręceniu. Zakrzywienie przestrzeni jest związane z pojawieniem się pól siłowych, tj. takich pól, które generują siły, powodujące krzywiznę trajektorii cząstek w bezwładnościowych systemach odczytu. Pierwotne pola torsyjne działają na cząsteczki tak, że ich trajektorie nie zakrzywiają się, przy czym ulegają zmianie obrotowe właściwości materii. Na przykład współdziałanie spinującej cząstki z pierwotnym polem torsyjnym może doprowadzić do zmiany jej własnej częstotliwości obrotu lub kierunku obrotu.
Najogólniejszy przypadek geometrii Weitzenberga odpowiada przestrzeni zdarzeń współrzędnych względnych, lokalnie przyśpieszonych systemów odczytu pierwszego i drugiego rodzaju, tj. faktycznie dowolnie przyśpieszonych systemów. W tym przypadku tak krzywizna reimannowska jak i skręcanie Rischa są różne od zera (rys. 13 c).
Przejrzyjmy niektóre ważne właściwości przestrzeni Weitzenberga:
a) w przypadku czterowymiarowych systemów odczytu wymiar tej przestrzeni jest równy dziesięciu;
b) w przestrzeni są dwie metryki: metryka Reimanna, opisująca nieskończenie małą odległość między dwoma punktami , oraz metryka Cillinga-Carteka, przedstawiająca obrót o nieskończenie mały kąt. Metryka ta zanika, jeśli skręcenie przestrzeni Rischa dąży do zera;
c) istnieje dziesięć równań ruchu (równań geodezyjnych): cztery postępowe i sześć obrotowych;
d) spośród sześciu równań strukturalnych geometrii Weitzenberga wynikają równania Einsteina z geometryzowanym tenzorem energii-impulsu materii, której rolę odgrywają pola torsyjne.
1.13. Względność wzbudzeń próżniowych.
W teorii grawitacji Einsteina i w ogólnorelatywistycznej elektrodynamice istnieją dwie rodzajowo różne kategorie: przestrzeń-czas i materia. Materia występuje na tle przestrzeni-czasu, zakrzywiając ją. Obie te kategorie korzystają z riemannowskiej przestrzeni i w obu pola grawitacyjne oraz elektromagnetyczne mają względny charakter.
Wykonanie programu minimum w odkryciu jedynej teorii pola (geometryzacji pola elektromagnetycznego) wymagało poszerzenia zasady względności, na której opiera się elektrodynamika Maxwella-Lorentza – do ogólnej zasady względności.
Z drugiej strony, wykonanie programu maksimum (geometryzacja pól materii) okazała się możliwą dzięki wprowadzeniu do teorii względności: względności obrotowej, która wskazała na ważną rolę w zjawiskach przyrodniczych pól – pól torsyjnych. W mechanice pola te przejawiają się jako pola bezwładności, wywołujące w przyśpieszonych systemach odczytu siły bezwładności. Przestrzeń zdarzeń, dzięki względności obrotowej, uzyskała strukturę geometrii absolutnej równoległości z zakrzywieniem i skręcaniem różnymi od zera, przy czym rolę źródeł materialnych w nowej teorii odgrywają te właśnie pola torsyjne.
W teorii, zbudowanej z przyjęciem względności obrotowej, nie ma dwóch kategorii (przestrzeni-czasu i źródeł materialnych), a jest tylko zakręcona i zakrzywiona dziesięciowymiarowa przestrzeń Weitzemberga. Dzięki Cliffordowi można teraz powiedzieć, że na świecie nic się nie dzieje oprócz zmiany krzywizny i skręcania przestrzeni, o ile źródła materialne są sprowadzone do skręcenia Rischa.
Rys. 14. Konforemny system odczytu zmienia długość swych bazowych wektorów według prawa: E = Ω(x)e gdzie Ω(x) jest czynnikiem skali.
W obszarze równań polowych czysto polowej teorii, nazwanej teorią próżni fizycznej, występuje nie dziesięć równań typu równań Einsteina z geometryzowanym tenzorem energii-impulsu materii, a czterdzieści cztery równania, określające strukturę geometrii Weitzenberga (absolutnej równoległości). Równania te opisują przestrzenne "pagórki i wiry", które przyjmujemy jako stany próżni fizycznej i są wskazywane przez nas jako cząstki elementarne materii.
Poprzednio ukazywaliśmy względną naturę pól grawitacyjnych, elektromagnetycznych i torsyjnych przy różnych przekształceniach współrzędnych, włączając w to współrzędne obrotowe. Jedynym polem, które przedstawia się jako wielkość absolutna, zarówno odnośnie do postępowych jak i obrotowych przekształceń współrzędnych, okazuje się riemannowska krzywizna przestrzeni. Doświadczenia w zakresie powstawania cząstek z próżni fizycznej wskazują, że ich masy, ładunki, spiny lub jakiekolwiek inne fizyczne charakterystyki są względne, tj. pojawiają się i znikają w procesach powstawania z próżni i uchodzenia do próżni.
W teorii próżni fizycznej charakterystyki te są określane przez riemannowską krzywiznę przestrzeni, dlatego konieczne było wprowadzenie do teorii taką klasę systemów odczytu, w której pole riemannowskiej krzywizny ukazuje się jako wielkość względna.
Do tego służą konforemne systemy odczytu, w których wektory bazy mają względną wielkość (rys. 14), tj. mogą zmieniać się od punktu do punktu, a także w różnych chwilach czasu. W przestrzeni zdarzeń, tworzonej przez mnogość względnych współrzędnych konforemnych systemów odczytu, krzywizna riemannowska staje się względną, dlatego okazują się względnymi masy, ładunki, spin i inne charakterystyki wzbudzeń próżniowych. Za pomocą konforemnych współrzędnościowych przekształceń można opisywać procesy powstawania i zaniku cząstek elementarnych, czyli wzajemne przekształcenia. Na przykład masa w bezruchu cząstki Ω(x)m0 = const przy konforemnych przekształceniach układów współrzędnych staje się zmienna i zmienia się wg prawa m(x) = m0Ω(x), gdzie Ω(x) jest współczynnikiem skali konforemnych przemian.
W matematyce geometria konforemna była po raz pierwszy przedstawiona przez matematyka niemieckiego G. Weilla. Dlatego najpełniejsza wg swoich cech przestrzeń zdarzeń Weitzenberga, uzupełniona konforemnymi właściwościami (przestrzeń Weitzenberga-Weilla) najlepiej służy do opisu próżni fizycznej.
W tabeli 2 przedstawiono poglądowo rozwój zasady względności w oparciu o dedukcyjną metodę badań. Patrząc na tę tabelę można dojść do wniosku, że wszystko na tym świecie jest względne. Co więcej, rozwój teorii względności potrzebował wprowadzenia nowej fizycznej zasady – zasady powszechnej względności, która upewnia, że wszystkie pola fizyczne mają naturę względną. Zadanie teoretyka polega na tym, aby znaleźć takie równania fizyki, w których wszystkie pola są względne. Okazalo się, że temu wymaganiu w największym stopniu (na dzień dzisiejszy) służą równania próżni fizycznej, sporządzone na bazie równań strukturalnych geometrii Weitzenberga-Weilla.