Teoria względności w dalszym ciągu jest kontestowana,zarówno szczególna (Special Relativity- SR), jak i ogólna (General Relativity-GR).Jednak , jak dowcipnie zauważyła Sabine Hossenfelder,nawet gdyby dowolnie powtarzany eksperyment obalający dowolne twierdzenie SR lub GR miał miejsce w światowej fizyce,to i tak nikt by w to nie uwierzył.
Jest to skutek nierozjaśnionej tajemnicy narodzin teorii względności , oraz jej obecności w kulturze przez 110 lat.Zawodowi fizycy stosują SR na codzień, natomiast miłośnicy fizyki -niespełnieni zawodowo za sprawą przeciwności losu- kontestują ją uporczywie.
Nie znaczy to wcale ,że ci wygrani zawodowo fizycy dogmatyzują,lub sakralizują teorię względności i nie poddają jej szczegółowych twierdzeń weryfikacji eksperymentalnej. Dynamika i postęp w tej dziedzinie zależą od postępu w technologii produkcji aparatury pomiarowej , czyli dokładniej pisząc : od wzrostu dokładności pomiarów czasu.
Przypomnę w tym miejscu czytelnikowi ,że szczegółowa teoria względności (SR) opiera się na fundamentalnym założeniu /aksjomacie o niezmienniczości prędkosci światła względem każdego, dowolnego inercjalnego układu odniesienia [1].
Założenie to,często zwane niezmienniczością Lorentza [albo symetrią Lorentza] może brzmieć tak:
we wszystkich układach inercjalnych , szybkość światła (w próżni) ma tę samą wartość[1].
c = constans
( względem każdego układu inercjalnego)
Gdyby doświadczenie wykazało,że powyższe jest nieprawdą ,wówczas transformacje Lorentza wyznaczajace współrzędne dowolnego punktu ze stanowiska dowolnych obserwatorów związanych z różnymi układami inercjalnymi byłyby nieprawdziwe,łączenie ze wszystkimi tego konsekwencjami jak np. dylatacją sekundy,skróceniem Fitzgeralda- Lorentza,relatywistycznym pędem, relatywistycznym prawem składania prędkości ...itd,czyli całość struktury formalnej szczególnej teorii względności stałaby się nieprzydatna do opisu przyrody.
Transformacje Lorentza (przekształcenia Lorentza) są to – przekształcenia liniowe przestrzeni Minkowskiego umożliwiające obliczenie wielkości fizycznych w poruszającym się układzie odniesienia, jeśli wielkości te znane są w danym układzie.
Niezmiennikami [inwariantami]przekształceń Lorentza są wielkości fizyczne ,które w matematyce reprezentowane są jako 4-wektory,czyli są wektorami o czterech składowych.
Przykłady: 4-wektor położenia punktu materialnego w czasoprzestrzeni , 4-wektor prędkości,4-wektor przyspieszenia,4-wektor siły , 4-wektor energii-pędu, tensory pola elektrycznego i magnetycznego, itd.
Każda ze składowych dowolnego 4-wektora jest relatywistycznie współzmiennicza[nie jest inwariantem transformacji Lorentza] ,np. składowe 4-wektora położenia [x,y,z,t] dla różnych obserwatorów związanych z różnymi układami inercjalnymi [primowanym i nieprimowanym]są różne.Przy ruchu wzdłuż osi OX mają postać :
x(1) = gamma*(x0-v*t)
y(1) = y0
z(1) = z0
t(1) = gamma*(t0-v*x/c2)
gdzie gamma = 1/[1-(v/c)2]1/2
Jednak większość eksperymentów przeprowadzonych w ostatnim półwieczu nie weryfikuje niezmienniczosci Lorentza bezpośrednio, lecz wnioski formalnie z niej wynikające,np.dylatację czasu.
Jeśli eksperymentalnie wykażemy ,że formuła dylatacji czasu jest fałszywa, to tym samym niezmienniczosć Lorentza nie może być załozeniem prawdziwym.
Czas trwania jakiegoś zjawiska[ czyli jedna ze składowych 4-wektora położenia ciała], mierzony przez obserwatorów w różnych układach odniesienia inercjalnych - jest różny.
Jeżeli obserwator związany z początkiem układu U(0) zmierzył ten czas jako t(0), to obserwator U(1) [poruszający się z prędkością v względem U(o)] uzyska inny wynik, a mianowicie t(1).Zachodzi związek:
t(1)= gamma*t(0)
gdzie gamma= 1/[1-(v/c)2]1/2
Właśnie ukazał się raport [4] z niezwykłego eksperymentu według bardzo wyrafinowanego pomysłu i bardzo wyrafinowanej aparatury.Eksperyment przeprowadziły trzy współpracujące ze sobą zespoły międzynarodowe:
National Physical Laboratory[NPL] w Teddington(UK).
Sytèmes de Référence Temps Espace(SYRTE)- należące do Paryskiego Obserwatorium (Francja)
Physikalisch-Technische Bundesanstalt ( PTB) wBrunszwiku (Niemcy).
Przez dwie ostatnie dekady, porównywanie zegarów atomowych na pokładzie satelitów GPS oraz tych na Ziemi, pozwoliło przetestować efekt dylatacji czasu z wynikiem pozytywnym,ale w granicach błędu zależnego od klasy dokładności użytych chronometrów.
Wszelkie odchylenia od formuły dylatacji czasu były bardzo subtelne, trudno mierzalne,potrzeba było więc bardziej precyzyjnych zegarów.
Większość zegarów atomowych ,użytych w eksperymentach w systemie satelitarnym GPS, pracuje na zasadzie stałej częstotliwości emitowanego promieniowania mikrofalowego, gdy elektrony w atomach cezu-133 przeskakują z wyższych poziomów energetycznych na niższe.
Zespoły NPL, SYRTE, PTB zastosowały cztery nowe typ optycznych zegarów atomowych,wykorzystujących częstotliwość emitowanego widzialnego promieniowania przez atomy strontu,dzięki czemu czułość pomiaru czasu wzrosła o dwa rzędy[ sto razy].
Zsynschronizowane uprzednio cztery optyczne zegary atomowe[działające na tej samej zasadzie fizycznej] zostały rozmieszczone w wymienionych wyżej biurach standaryzacji czasu i stałych fizycznych fundamentalnych w trzech miejscowościach: Londynie[w pobliżu],Paryżu[ dwa zegary] i Brunszwiku[w Niemczech].
Dwa łącza światłowodowe, jedno między Londynem a Paryżem, drugie między Paryżem a Brunszwikiem, zostały wykorzystane do porównywnia wskazań optycznych zegarów atomowych [po dłuższym czasie,np.50-150 godzin] znajdujących się w tych różnych trzech miejscowościach [3].
Trzy zegary : L,P1,B [ze wszystkich czterech: L,P1,P2,B] poruszają się z różnymi prędkościami z powodu ich położenia na powierzchni Ziemi [ w miejscach o różnych szerokościach geograficznych]. Natomiast dwa P1,P2, w tym samym biurze, mają prędkości o takich samych wartosciach.
Bowiem, gdy Ziemia wiruje wokół swej osi ruchem dobowym,, różne punkty jej powierzchni mają różne prędkości w stosunku do środka Ziemi. Punkty o różnych długościach geograficznych[ a o tej samej szerokości geograficznej],mają prędkości o różnych kierunkach , a punkty na różnych szerokościach geograficznych[ a jednakowych długościach geograficznych] poruszają się z prędkościami o różnych wartościach.
Na przykład, zegar bliżej równika powinien wykazać opóźnienie w stosunku do zegara znajdującego się bliżej bieguna Ziemi,gdyż porusza się z większą prędkością od zegara znajdującego się dalej od równika.. Wartość tego opóźnienia [wyliczona ze wzoru na dylatację czasu] dla rozważanego eksperymentu powinna wynosić5 nanosekund.
Eksperyment potwierdził prawdziwość formuły na dylatację czasu z błędem względnym mniejszym od 10^(-8). Tym samym niezmienniczość Lorentza obowiązuje.
Gdyby było inaczej, to znaczy: doświadczenie pokazuje , że od symetrii Lorentza są nieznaczne odstępstwa ,to - jak niektórzy teoretycy utrzymują- możliwe byłoby uwspólnienie struktur formalnych QM i SR,czyli ich unifikacja i przedstawienie nowej teorii fizycznej wyjaśniającej np. dziwne zjawiska opisywane w kosmologii.
O tej nowej [ w nadziei] fizyce - innym razem.
Literatura
[1]A.Wróblewski,A.Zakrzewski,Wstęp do fizyki,tom 1,wyd.1,PWN,Warszawa,s.
[2] R.Mansouri ,R.U.Sexl , A test theory of special relativity. 1977
I: Simultaneity and clock synchronization". Gen. Rel. Gravit. 8 (7),s.497–513
II First order tests, Gen. Rel. Gravit. 8 (7),s.515-524
III Second-order tests, Gen. Rel. Gravit,s 809-814
[3] C. Lisdat, G. Grosche[…]P.-E. Pottie,A clock network for geodesy and fundamental science,Nature Communications 7, Article number: 12443 , 2016
[4]P.Delva et al.Test of Special Relativity Using a Fiber Network of Optical Clocks,,Phys. Rev. Lett. 118, 221102 – Published 2 June 2017
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Technologie
