TRANSKRYPCJA VIDEO
Astrofaza
Jak działa teoria względności? Ruch obraca czasoprzestrzeń - Szczypta Teorii #1
Opis wygenerowany przez Skrybot
Dla tego filmu nie wygenerowano opisu.
Transkrypcja wygenerowana przez Skrybot
O teorii względności słyszeliście na pewno wielokrotnie. Właściwie odmienia się ją przez wszystkie przypadki. Jeżeli chociaż trochę oglądacie astrofazę, to na pewno też wielokrotnie o niej usłyszeliście. Czym jest właściwie teoria względności, w jaki sposób powstała i czy zwykły laik może ją zrozumieć? W zasadzie dla fizyków to jest taki elementarz, dlatego że wszystkie teorie fizyczne współczesne muszą być relatywistyczne, jak to się mogło wydarzyć. Muszą spełniać takie kryteria, które ją dopasowują do teorii względności. Czyli Ala ma kota, a fizyk ma teorię względności. Coś takiego mniej więcej. Np. kwantowa teoria Pora, która jest takim opisem cząstek elementarnych, została skonstruowana po to, żeby dopasować teorię kwantową do zasad, w którym należy wziąć. No właśnie. To może zacznijmy od tego, skąd to się wzięło.
Wiemy wszyscy, że Einstein wymyślił teorie względności, ale co zapalił sobie fajeczkę, usiadł na ganku i mówi, a kurde, ta czasoprzestrzeń to taka geometryczna musi być. Tu masa sobie coś tam zagina. To na pewno wygląda w ten sposób. To była długa historia, dlatego że tak naprawdę wszystko zaczęło się od pewnego paradoksu. Był pewien problem z fizyki, którego nikt nie potrafił zrozumieć. Wszystko zaczęło się od teorii opisującej pola elektromagnetyczne, teorii Maxwella. I w tej teorii pojawiają się takie wielkości, jak pole elektryczne, pole magnetyczne. Potem fizycy odkrywali pewne związki między nimi. A później zaczęli się zastanawiać i dochodzić do wniosku, że ta teoria jest w zasadzie wewnętrznie sprzeczna, albo na taką wygląda na pierwszy rzut oka.
I takim problemem, który się często pojawiał właśnie w tych rozważanach był problem, co się dzieje z ładunkiem elektrycznym znajdującym się w polu magnetycznym. I jak weźmy szkolny wzór, który mówi co się dzieje z ładunkiem w polu magnetycznym, to zgodnie z tym co się uczy w szkole, taki ładunek poruszając się w polu magnetycznym musi się zakrzywiać i będzie poruszać się po okręgu. Jest taka siła magnetyczna, która działa na ten ładunek. Ona zależy od prędkości ładunku. Im większa prędkość tym większa siła. No ale można zadać pytanie, a co by się stało gdybyśmy poruszali się razem z tym ładunkiem? Gdybyśmy przeszli do układu inercjalnego, który się porusza razem z tym ładunkiem i tak w tym układzie prędkość tego ładunku znika.
I co się stanie? Czy siła działająca na ten ładunek też zniknie? No tak, bo z naszej perspektywy będzie on stał, tak jak autobus, który się porusza, ale pod nami się nie porusza. Tak, więc jeden gość patrzący na poruszający się ładunek widzi, że ten ładunek jest w polu magnetycznym, rusza się, więc działa na niego siła i zakrzywia jego tor. A drugi, który razem z tym ładunkiem się porusza, mówi, że nie działa żadna siła, więc ładunek nie ma prawa się zakrzywić. I kto ma rację? I kto ma rację? I ta dyskusja, ten problem był nierozwiązany przez jakieś 30 lat. Ten i podobne problemy. I ludzie próbowali różnych metod, różnych sposobów zrozumienia, co tu się dzieje. Były różne, niekonwencjonalne bardzo sposoby myślenia o teorii.
Pojawiła się koncepcja eteru, między innymi, żeby starać się wyjaśnić ten typu trudności. I wreszcie przyszedł Einstein, po 30 latach napisał pracę o elektrodemice ciałowruchu, taki bój i tytuł. To jest właśnie ta słynna praca z 1905 roku, która wprowadziła te pojęcia szczegóły i tej dymności. I pokazał, że ten problem da się rozwiązać, ale tylko robiąc pewne radykalne zmiany myślenia o bardzo fundamentalnych wielkościach w biznesie, takich jak czas, przestrzeń. I dopiero reorganizując sobie, przemoblowując sobie mózg i sposób, w jaki myślimy o tym, co to jest czas, co to jest przestrzeń, da się ten, wydaje się proste problem rozwiązać.
Jednym z punktów, od którego w takich początkowych całego rozważania jest przyjęcie takiej hipotezy, że każdy inercjalny obserwator, czyli taki, który się porusza względem innych obserwatorów, ze stałą prędkością najwyżej, musi mieć takie same prawa fizyki. Czyli jeżeli w jednym układzie odniesienia coś się dzieje, na przykład ładunek lata w kółko, to w każdym innym układzie inercjalnym, czyli poruszącym się ze stałą prędkością, też ten ładunek będzie musiał latać w kółko. To jest punkt wyjścia. To jest zasada, którą zformułował jeszcze Galileusz 400 lat temu. Nazywa się to zasada względności. I z gronsza rzecz biorąc, można to podsumować tak, że wszystkie prawa fizyki są takie same we wszystkich układach inercjalnych, czyli wszystkie układy są równe.
I zaczynając od tego, i przejmując opis pól elektronetycznych, taki jak był znany od czasów Maxwella, Einstein zwrócił uwagę, że da się te rzeczy pogodzić tylko pod warunkiem, że przyjmiemy taką obserwację, że pojęcie czasu używane przez różnych inercjalnych obserwatorów nie jest tożsame. Czyli czas nie jest czymś, co płynie niezależnie od tego, kto jest obserwatorem i jest zawsze taki sam, tylko czas może być fizycznie inny, w zależności od tego, czy stoimy w miejscu, czy się poruszamy. Twórz inercjalnych obserwatorów ma inne pojęcie czasu. Inne zegary chodzą w innym tempie. Okej, wtedy podejrzewam, że uby wszystkich fizyków po prostu wybuchły, w momencie, kiedy trzęsiesz tak fundamentalnym założeniem, które do tej pory istniało. W tym razie do dzisiaj zastanawiam, jak to się w ogóle stało, że Einsteinowi się udało ten artykuł opublikować.
Przypuszczam, że powód był taki, że fizyków było w ogóle bardzo mało w tym czasie i edytorem czasopisma, do którego Einstein ten artykuł wysłał, był Plank, który był niewiele kim, był wybitnym fizykiem i miał na tyle otwarty umysł, że dopuścił tego typu koncepcję jako wartą rozważania w ogóle. Teoria względności, szczególna, ogólna, Einstein jakby wypracował to, pokazał wzory, natomiast często mówi się, ja widzę takie komentarze, często takie zapytania u nas na kanale, dlaczego my po czasie jakby odkrywamy nowe rzeczy dzięki tej teorii, jakby jak to działa, nie? Wydaje się, że ta teoria jakby opisuje wszystko i Einstein jakby ją wymyślił i właściwie zamknął temat, nie? A przecież my z każdym rokiem widzimy nowe jakieś zdobycze, które dzięki tej teorii, tak naprawdę, są opisywane.
Co na przykład z tego, że tak naprawdę jest to, co jest w tej teorii opisywane? Co nadaje takie możliwości? Czy to jest narzędzie po prostu, z którego się korzysta? Nie, to znaczy, to jest tak, że jeżeli mówimy o szczególnej teorii względności, to tam trudno jakieś zaskoczenie jeszcze teraz. Jeszcze jakieś powiedzmy 10 lat po odkryciu teorii względności pojawiły się pewne zaskakujące rzeczy, które zaskoczyły nawet samą Einstein'a. Jest takie zjawisko, co nazywa się obrotem Wigner'a, albo Tomasa Wigner'a, które zostało z tą drogą odkryte z Wilbersteina, ale to się stało 10 czy 15, czy 20 lat po odkryciu teorii względności i to był chyba ostatni moment, kiedy jakieś zaskoczenie się pojawiało w szczególnej teorii względności.
Jeśli chodzi o ogólną teorię względności, która wprowadza do tych rozważań jeszcze grawitację i to jest jakby osobna sprawa, to ogólna teoria względności jako teoria jest o tyle skomplikowana, że równania tej teorii są skomplikowane i nawet mając samą teorię, trudno jest do końca przewidzieć, jaka są konsekwencje, bo to jest rachunkowo skomplikowane i technicznie skomplikowane. Do tego stopnia, że Einstein się wielokrotnie myli co do swojej własnej teorii, bo nie do końca był w stanie operować tymi równaniami w sposób spójny i wiele odkryć, takich jak odkrycie czarnych dziur, czy rozstrzymanego się przeświata, czy fal grawitacyjnych, to nie są odkrycia Einsteina.
Więc zabawne jest to, że na przykład jak odkryto jakiś czas temu fale grawitacyjne, które powstały w wyniku zdarzenia się z dwóch czarnych dziur i ogłoszono o wielki sukces Einsteina, to jest trochę zabawne w tym kontekście, że Einstein nie stworzył tych pojęć, to on wątpił w istnieniu czarnych dziur i wątpił w istnieniu fal grawitacyjnych, które wynikają z tej własnej teorii. Natomiast można powiedzieć, że w ogóle na terenie względności też już w kilku latach niczym raczej nie zaskoczy, tam nie ma jakichś efektów, które byłyby nieznane. Trudność może być najwyżej z obserwacją tych efektów w eksperymencie, dlatego że takie fale grawitacyjne są bardzo małe i szczególnie jeżeli źródeł chwalie bardzo lekkie.
Ok, dobra, więc zanim przejdziemy dalej, to warto byłoby chyba wyjaśnić na sam początek czym się różni ta teoria ogólna od szczególnej, bo operujemy gdzieś tutaj, jonglujemy tymi nazwami, a część widzów pewnie nie rozróżnia tego, może nawet dzisiaj dowiaduje się po raz pierwszy, że są jakieś dwie teorie względności. Szczególna teoria względności to jest taki element bardzo pełny i to jest opis z perspektywy obserwatora, który albo stoi w miejscu, albo porusza się z całą prędkością, to jest tak zwany obserwator inercjalny i nie rozważamy co się dzieje z przyspieszeniem, nie rozważamy tego co się dzieje jak się zaczyna obracać ze swoim układem odniesienia i nie uwzględniamy grawitacji. Czyli w największym skrócie teoria względności, szczególna teoria względności, ma za zdanie następującą rzecz. Wyobrażamy sobie, że coś się dzieje, jakaś sytuacja się dzieje, np.
słońce świeci, trawa rośnie, deszcz pada, cokolwiek. Opisujemy tę sytuację w jednym układzie odniesienia i zadajemy szczególnej teorie względności z odpowiedziwnym pytaniem, jak ta sama sytuacja będzie wyglądać w układzie, który się porusza z całą prędkością. Więc wydaje się w zasadzie proste od czasów Galileusza czy Newtona, by nasiem mógł wydawać, że wszystko się będzie po prostu przesuwać i to wszystko to się stanie. Okazuje się, że to jest nieprawda, to jest przesąd. Ruch to nie jest po prostu przesuwanie, tylko ruch to jest dużo więcej niż tylko przesuwanie. Ruch to jest zjawisko, które może spowodować, że czas jakichś procesów, np. tempo procesu, jak padnie deszczu jest powolni. Będzie padał wolniej. Będzie padał pod innym kątem. Ale też wszystkie kolory ulegną zmianie. Słońce nie będzie żółte, tylko będzie ruchy różowe.
To brzmi jak grzyby Tak, rzeczywistość gdyby prędkość światła nie była tak duża jaka jest, czyli nie wynosiła 300 000 km na sekundę tylko 20 km na godzinę, to rzeczywistość obserwowana przez nas byłaby bardzo dziwna, bo przedziwna wszystko było wginane, zniekształcone. Z tego co rozumiem, to chodzi tu o efekt Dopplera. Jeżeli byle się czegoś z dużą prędkością przybliżał, to podobnie jak z sygnałem karetki, będzie to w kierunku niebieskiego się przesuwał. Efekt Dopplera jest jeden z tych efektów, które będą ingerować w to, co widzimy. Ale jest cała masa innych rzeczy ciekawych, które się będą działy. Ale to za chwilę, jak będziemy obracać czasoprzestrzeń. Będziemy dzisiaj obracać czasoprzestrzeń. Uważajcie. W ogóle tych efektów jest bardzo dużo.
Gdybyśmy tylko mogli spowodować, że prędkość świata byłaby mała, tak żeby te wszystkie efekty szczególnych w tym momencie byłyby o wiele bardziej widoczne, to generalnie trafilibyśmy do świata takiego mocno zdeformowanego. Była taka gra przez MIT zrobiona. Slower Speed of Light chyba się to nazywało. Próbowałem to odpalić, ale trzeba było mieć jakiegoś Windowsa 7. Zabierzchła technologia jeszcze z dawnych czasów. I to Max Windowsa 7, żeby to zadziałało. Tam właśnie te wszystkie efekty były symulowane. Musieliśmy zbierać w jakiejś dziwnej wiosce takie orby sobie gdzieś tam pulsujące. I z każdym takim zjedzonym orbem ta prędkość światła wynosiła dużo mniej z naszej perspektywy. I przez to właśnie te efekty mogłeś obserwować. Ale przejdźmy do tej ogólnej terenu i względności.
Bo szczególna już wiemy, czego dotyczy, a co się zmieniło kiedy Einstein opublikował swoją ogólną torę w zgodności. Zresztą jest ciekawe, że ta szczególna była pierwsza, a ogólna pojawiła się później. To szczególna, dlatego że opisywa tylko ten szczególny wypadek, kiedy nie bierzemy pod uwagę ogólniejszych efektów, które mogą mieć miejsce w tej chwili, na przykład grawitacji. Zadaniem ogólnej tory w zgodności jest opisać grawitację. Czyli włączyć ją do tego opisu. Pytanie dlaczego akurat grawitacja, a nie coś innego. I przyczyną dla której grawitacja jest szczególna jest to, że grawitacja ma coś wspólnego z ruchem. Podziwo.
I to, od czego się wszystko zaczęło to taka obserwacja, którą Einstein wykonał, że gdyby wyłączyć grawitację, na przykład w tym pomieszczeniu, gdybyśmy teraz wyłączyli grawitację, ale zamiast tego z powodu, że nie ma w ogóle tej opcji, to nie ma w ogóle tej opcji. Ale zamiast tego spowodowaliśmy, że całe to pomieszczenie zaczyna przyspieszać w górę. Tak jak np. winda się spasza w górę. To siły pozorne, które się pojawią w takim inercjalnym, przyspieszającym układzie, spowodują, że wszystkie ciała, które tu stoją też zostaną wbite w podłogę. No tak, bo podłoga będzie nam dopychała. Tak. I te efety są nieodróżnialne.
Einstein postawił taką hipotezę, że wpływ grawitacji jest nieodróżnialny od wpływu przyspieszenia całego układu odniesienia, co oznacza, że można w zasadzie zrozumieć, jak działa grawitacja, jeśli się tę zasadę sprawdziwa, zastanawiając się, jak będzie wyglądał ruch z przyspieszeniem obserwatora. I w tym sensie jest to ogólnienie, że w szczególna tera względności rozważa tylko obserwatorów, które się poruszą ze stałą prędkością, podczas gdy ogólna tera względności dopuszcza nieinercjalnych obserwatorów, którzy robią różne, inne, dziwne rzeczy. I tutaj zaczynają się pojawiać jakieś kompletne, przedziwne efekty, horyzonty zdarzeń, to prowadzi też do czarnej dziury w końcu. I praca nad ogólną tera względnością już tajemnowi zajęła kolejne 10 lat.
I to było bardzo bolesne 10 lat, podczas których on się mylił, ublikował błędne prace, frustrował się, matematycznie też tkwił bardzo długo w miejscu, dopiero koledzym pomogli, więc to była bardzo wytrążona praca, dziesięcioletnia, która doprowadziła go do tych wniosków, które teraz uważamy za znowu chleb powszednim dla fizyków, bo ogólna tera względności też jest czymś jakby znanym już od ponad 100 lat i dobrze przybadanym. Natomiast tworzenie tych elementarnych koncepcji było bardzo trudne i bolesne. OK, w swoim filmie, bo tutaj warto też powiedzieć, że Andrzej ma swój kanał, na który serdecznie Was zapraszamy, linki macie w opisie, my będziemy odnosić się do tego kanału jeszcze wielokrotnie, ponieważ tam masz kurs tak naprawdę teorii względności. Rozpisujesz to, można się zagłębić dużo bardziej, można zobaczyć matematykę stojącą też za tym, ale w bardzo fajny sposób podaną, więc koniecznie to zobaczcie, wręcz musicie to zobaczyć.
Zresztą aspekt wizualny też tego kanału jest. . . patrzcie jak się rumieni. Nie? Nie, a naprawdę jest super, więc koniecznie musicie to zobaczyć. I tam w jednym z tych odcinków, który nazywa się dość tutaj podobnie, bo obracasz w nim czasoprzestrzeń, pokazujesz, że to przyspieszanie to jest de facto obrót czasoprzestrzeni, wspominałeś też o Panu Minkowskim, że to jemu powinniśmy tutaj też trochę ukłonów i kudosów wysłać, jeżeli chodzi o teorię względności. Bo ona kojarzy się jednoznacznie z Einsteinem. To jest teoria względności Einstein i tak jakby nie było nikogo innego. No oczywiście to jest tak, że historia teorii względności jest długa i to nie jest historia jednoosobowa.
Przede wszystkim elementarnym takim pojęciem w teorii względności jest tak zwana transformacja Lorenza, którą po raz pierwszy błędnie podał Lorenz, potem poprawił to Poincare i dopiero ileś tam lat później zinterpretował Einstein i jakby przywrócił do życia, ale tworzenie tej teorii to była praca zespołowa tak naprawdę. Einstein postawił kropkę nad i, taką wyraźną kropkę nad i, ale oczywiście cała historia jest interesująca. W szczególności pojęcie czasoprzestrzeni, o którym pewnie będziemy jeszcze mówić, nie zostało stworzone przez Einstein. Zrobił to jego nauczyciel Hermann Minkowski. Dwa lata po stworzeniu teorii względności przez Einsteina. Zresztą rok przed śmiercią Minkowskiego jego artykuł został opublikowany i Einstein początkowo w ogóle bagatelizował to jako nic specjalnie ważnego, jako ciekawostkę matematyczną i dopiero podczas pracy ogólną teorię względności zmienił zdanie i zrozumiał głęboko sens i wagę obserwacji Minkowskiego i skorzystał z tej obserwacji, z tego pojęcia czasoprzestrzeni pracując nad ogólną teorią względności.
To to zrobił Minkowski, to zauważył, że z matematycznego punktu widzenia ruch nie jest po prostu przesuwaniem się przedmiotów, ruch jest czymś dużo więcej i jeżeli wziąć równania Einsteina, opisując o szczególną teorię względności i przyjrzeć się matematycznego albo z geometrycznego punktu widzenia, co to są ruchy, co one opisują, można zauważyć, że te równaja są udząco podobne do tego jak opisujemy obrót. Otóż jak mam jakiś opis rzeczywistości i na przykład wiem w jakim miejscu znajduję się w tym momencie, mam konkretne społożenia w całego położenia, gdybym się teraz obrócił to twoje społożenia się zmieniają, bo moja ugotownieszenia się obraca. I w związku z tym po obróceniu się twoje społożenia się zmienią w określony sposób. No tak, teraz jesteś na wprost, a teraz jesteś po prawej.
No właśnie, więc jest to jasne, że jeżeli się obracam, to cała rzeczywistość też wokół zmienia swoje położenie w pewnym sensie względem mojego układu odniesienia, mojego fotela i Minkowski zauważył, że zmiana obserwatora zaspoczywającego się na poruszającego się jest pewnym rodzajem obrotu. Coś się obraca, równaja opisują pewien dziwny rodzaj obrotu, nie do końca taki sam obrót, tak teraz na fotelu, troszeczkę zmodyfikowany, ale bardzo niewiele i pytanie co się obraca. I Minkowski zauważył, że to co się obraca, to nie jest tylko nie są to tylko osie przestrzenne mojego układu odniesienia, ale coś więcej. Minkowski zauważył, że ruch czy przejście do poruszającego się układu jest obrotem ale nie w płaszczyźnie zarwiającej dwie osie przestrzenne, tylko w płaszczyźnie zarwiającej przestrzeń i czas, czyli w czasoprzestrzenie.
Wręcz Minkowski wprowadził to pojęcie czasoprzestrzeni po to, żeby ten obrót opisać, żeby nadać mu jakiś sens i jednym z najciekawszych wniosków w teorie względności, według mnie, nie jest to, że czas powalnia, długości się skracają, będziemy o tym jeszcze na pewno mówić, tylko to, że czas i przestrzeń są takimi tworami, które wbrew naszym intuicjom są do siebie bardzo podobne. I możemy ruszając się de facto obracać się w czasoprzestrzeni, albo obracać całą czasoprzestrzenie w kilku stronach. I de facto to, co pokazał Minkowski, to to, że przejście do poruszającego się układu odniesienia, czyli w związku z tym ruch, jest pewnym specyficznym obrotem czasoprzestrzeni. Ok, dotarliśmy tutaj. Jesteśmy przy obracaniu czasoprzestrzeni. To brzmi wręcz jak science fiction.
Jak można obrócić czasoprzestrzeń? Wiemy, że masywne obiekty, jak czarne dziury potrafią wykrzywiać ją, robić cudawanki, ale jak poruszający się pojazd kosmiczny obraca czasoprzestrzeń? Bo to jest coś, co wydaje się być bardzo nieintuicyjne. No, w zasadzie, z tego, co mówił Minkowski i z tego, co wiemy obecnie, wynika, że obrócić czasoprzestrzenie jest bardzo łatwo. Wystarczy się zacząć ruszać. Czyli co, jakby przeszedł teraz tam, to obróciłbym cały czasoprzestrzeń? Gdybyś zaczął się poruszać, zacząłbyś jechać z stałą prędkością, to ta operacja jest równoważna pewnemu czasoprzestrzeni. I teraz pytanie, dlaczego nie jesteśmy tak świadomi? Jedziemy autobusem i nie widzę żadnego obrotu, po prostu wszystko się przesuwa. I powód jest taki, że jedziemy z małą prędkością w porównaniu z prędkością światła i dlatego wszystkich konsekwencji tego obrotu nie widzimy.
Widzimy tylko ruch, który w przybliżeniu wydaje się tylko przesuwaniem przedmiotów za oknem. To jest tylko przybliżenie. Gdyby nasz autobus jechał z prędkością, bliską prędkością światła, to sytuacja stałaby się dla nas o wiele bardziej ewidencna, że nasz ruch to nie jest tylko przesuwanie obiektów za oknem. To jest coś więcej. To są właśnie te rzeczy, które pojawiają się w telewizjarności, spowalniający upływ czasu nad oknem, to, że rzeczywistość się skróci, to, że równoczesność zmieni swoje znaczeniem. Wiele takich konsekwencji pojawia się jako następstwo ruchu, który jak z równań wynika, nie jest tylko przesuwanie obiektów w czasie za oknem. No dobra, to jakieś głupoty w równaniach są. Wygląda to w ten sposób.
Jak na chłopski rozum obracać czasoprzestrzenią? Można to jakoś pokazać? Można to jakoś zrozumieć? Po prostu tak bez matematyki? No niestety jest tak, że chłopski rozum zawodzi. Trzeba się pogodzić z tym, że nasz mózg nie jest do końca skonstruowany po to, żeby rozumieć intuicyjnie te pojęcia. I dlatego jak zawodzi nasz mózg, musimy stłukać jakiś protest mózgu. Taką protezyją mózgu są równania. Równania pozwalają nam zapisać pewne rzeczy w sposób precyzyjny i możemy badać konsekwencje tych równan, możemy patrzeć co z nich wynika i starać się te konsekwencje zrozumieć i przyswoić. Często to jest tak, że musimy się pogodzić z tym, że to nigdy nie będzie dla nas zupełnie oczywiste, tak jak oczywiste nam się wydają inne rzeczy, że należy bardziej zaufać często równaniom niż naszej intuicji.
I fizyka czy doświadczenia, które się wykonuje, weryfikują dosyć boleśnie nasze wyobrażenia o świecie, pokazując, że szczegóły natury w zgodności i jej przewidywania konsekwencji tych równan są zgodne z tym, jakie są mechanizmy działania świata. I w tysiącach, jeśli nie setkach, tysięcy eksperymentów badających rzeczywistość pokazuje się każdego dnia, że szczegóły natury w zgodności ma rację, a nasze intuicje nie mają racji. Trochę jak z pilotami, kiedy za oknem niebo zlewa ci się na przykład z oceanu, nad którym lecisz, możesz zauwaść tylko i wyłącznie przyrządu. Twoja percepcja jest bardzo, bardzo w tym momencie zgodna i zgubiła już wielu pilotów. Jest wiele rzeczy, które można zrozumieć w szczególnej intuicjności, jeśli się już przełknie ten bolesny fakt czy ten nieintuicyjny fakt, że ruch jest obrocem czasoprzestrzeni.
Dlatego, że w szczególnej intuicjności jest bardzo wiele nieintuicyjnych rzeczy, które wynikają z równań, wynikają z jakichś eksperymentów myślowych, ale jeżeli już przyjmiemy taką hipotezę na początek, jakby przełkniemy to, że ruch przejścia do poruszenia się w jakiś układu jest obrocany na czasoprzestrzeni, to wiele innych rzeczy stało się niemal oczywiste. I wiele innych własności, które w zależności stało się niemal oczywiste. Na przykład, jak wezmę jakiś przedmiot i patrzę na niego teraz i widzę, że ma jakąś długość, jeśli ten przedmiot obrócę, to z mojej perspektywy ten przedmiot staje się krótszy. On się skraca. I dokładnie to samo dzieje się z czasem i przestrzenią, jeżeli zacząć się poruszać.
Odcinki, jakieś odległości między punktami w czasoprzestrzeni, czyli na przykład odległości między punktami albo odległości w czasie między dwoma zdarzeniami, też mogą ulec w skróceniu albo w wydłużeniu, jeśli spojrzę na to czasoprzestrzeniem pod pewnym kątem, czyli zacznę się poruszać. I dlatego nie powinno być zaskoczeniem, już aż takim, że jeżeli zaczną się poruszać, to odcinki czasowe albo odległości przestrzenne ulegają zmianie w wyniku mojego ruchu i dlatego, mówiąc w skrócie, nie powinno się napchnąć wolniej albo szybciej. Odległości między punktami się skracają albo wydłużają, zależności od tego kto jest obserwatorem. Co więcej, pojęcie równoczesności, czyli coś, co wydaje nam się oczywiste, jeżeli teraz styknę palcami w tej samej chwili czasu, czyli zrobię to równocześnie, co wydaje mi się jakby faktem absolutnym, przestaje być takie absolutne, jeżeli zacznę się poruszać.
Dla ruszającego się obserwatora, zdarzenia, które dla mnie są równoczesne, dla niego nie są równoczesne i według kogoś, kto się będzie poruszał, w jego układzie odniesienia najpierw jest jedno zdarzenie, potem drugie, czyli najpierw stricte jedną ręką, potem drugą, w zależności od tego, w którym kierunku to się będzie działo. I to też jest dziwna konsekwencja tego nieinteresyjności, ale jeśli weźmiemy tę analogię sobie z obracaniem, jak patrzę teraz na ten telefon w taki sposób, że oba jego końce są w tej samej odległości od mojego oka, czyli są równo odległe, według ciebie te końce telefonu wcale nie są równo odległe. Ten jest bliżej, ten jest dalej. To jest głupoty opowiadać. Proszę? Głupoty opowiadasz, to jest bliżej tamten dalej. No właśnie. To, czy dwa końce telefona są równo odległe czy nie jest też względne.
Jeżeli ja ten telefon obrócę, to w tym momencie. . . O, teraz są równe. W tym momencie, w tym momencie tego się zmieniają. Dla mnie te końce nie są równo odległe, dla ciebie są. I teraz pytanie, kto ma rację? Czy te końce naprawdę są równo odległe, czy nie są? Czy ja racja jest mniejsza? Czy ja racja jest mniejsza? Okazuje się, że pytanie jest bzdurne oczywiście, bo obaj mamy w pewnym sensie rację. Równo odległość jest względna. I równoczesność też jest względna. Z tego samego powodu. Dla mnie te przytrzyknięcia są równoczesne. Dla kogoś, kto się porusza, czyli patrzy na czas obcestrzeń pod pewnym kątem, obracając ten czas obcestrzeń, te zdarzenia nie są równoczesne. I obaj mamy rację.
I w tym sensie teoria względności jest takim sposobem pogodzenia różnych, pozornie sprzecznych punktów widzenia pokazując, że pewne rzeczy, które nam się wydaje absolutne istnieją po prostu w sensie obiektywnym, nie istnieją obiektywnym. Ok, ale tutaj od razu warto też zaznaczyć, czy też zauważyć, że jednak nie odwraca się też przyczynowość. Czyli najpierw będzie przyczyna, a potem będzie skutek nawet mimo tego odwróconego, czy też patrzenia pod tym kątem.
No właśnie bardzo ważną cechą sztebuna i tradycyjności jest to, że ona wskazuje, że co prawda różne zdarzenia zmieniają swoje położenia w czasie, w przestrzeni, jeśli zmienimy układ odniesienia, ale pewna fundamentalna zasada okazuje się być zachowana, mianowicie taka, że jeżeli ma jakiś ciąg trwotnowo-skutkowy, na przykład coś się stało tu, co spowodowało coś innego tam, co spowodowało coś innego jeszcze gdzieś indziej i jest jakiś ciąg trwotnowo-skutkowy z a wynika b, z tego wynika c, to jeżeli zaczyna się poruszać, to wszystkie te zdarzenia zmienią swoje położenia, zmienią swoje chwile czasu i relacje między nimi się zmienią, ale fakt, że związek trzczynowo-skutkowy między nimi był pozostanie zmieniony.
Musielibyśmy przekroczyć prędkość światła, żeby odwrócić to tak naprawdę chyba, nie? Jednym z problemów wynikających z rozważania nadświetlnych ruchów jest to, że gdybyśmy się mogli poruszać z prędkością nadświetlną, to związki trzczynowo-skutkowe mogłyby ulec za chwianiem i wydawało się, wydaje się wielu ludziom, że to prowadzi do pewnych paradoksów i dlatego bezpieczny jest nie rozważać nadświetlnych ruchów, nadświetlnych układów odniesienia, dlatego że dzięki temu mamy gwarancję, że związki trzczynowo-skutkowe między zdarzeniami będą zachowane we wszystkie układy odniesienia. Jeżeli na przykład odpalę zapalnik, bomby i chwilę później ta bomba wybuchnie, w takiej kolejności, to jeżeli tak się działo w moim układzie odniesienia, to samo wydarzy się, ta sama kolejność zdarzeń będzie miała miejsce w innym układzie odniesienia. Najpierw będzie odpalenie zapalnika, a potem wybuch bomby, a nie no od.
I szczególna to jest w względności, mimo swojej dziwności, gwarantuję, że związki trzczynowo-skutkowe w wszystkich inercjalnych układach odniesienia są takie same. No dobra, czyli obracamy czasoprzestrzenią, czasoprzestrzeń obracanami, to po prostu jest tak naprawdę spojrzenie z różnych punktów widzenia, bo to jest jak pytanie o to, kto się porusza, nie? Czy my będąc na ziemi poruszamy się względem czegoś, czy to coś porusza się względem nas? Jeżeli samochód się porusza względem nas, to spoko, ale jak ktoś siedzi w samochodzie i wyjrzy na zewnątrz, to ma wrażenie, że to my się poruszamy tak naprawdę względem tego samochodu, mimo że wiemy, że silnik pracuje w samochodzie. No i właśnie dlatego fundamentem szczególnej trójwzględności jest ta hipoteza, czyli ta zasada, Galileusza, że ruch ze stałą prędkością jest tylko względ. I nie ma czegoś takiego jak ruch ciała w sensie absolutnym.
Nie jest tak, że ja mogę poruszać się. Ja mogę poruszać się względem kogoś ze stałą prędkością. I Einstein wychodząc do tej zasady, przyjmując ją jako postulat, całą teorię w zgadności sformułował tak, żeby ta zasada była respektowana. W związku z tym w całej trójwzględności ruch jest wyłącznie względem. Nie można poruszać się, można się poruszać tylko względem kogoś. I dlatego jeżeli ja np. jadę pociągiem, który porusza się idealnie ze stałą prędkością, nie ma żadnej wibracji, nie ma żadnych przyspieszeń, tory są idealnie proste, ja w zasadzie mógłbym tego ruchu nie być w stanie nawet w żaden sposób wykryć. Powinienem być w układzie, w którym ten ruch jest niewykrywalny. Więc swoją drogą teraz siedzimy na kawałku kosmicznej skały, która się porusza dużą prędkością, kosmiczny pociąg.
I nawet o tym nie wiemy, dlatego że Ziemia się w końcu porusza dużą prędkością względem Słońca chociaż. Każdy z Was leci z prędkością prawie 30 km i to jest bardzo trudne, kiedy tak szybko jechaliście jakąś furą swoją czy czymś. Nigdy. A jednocześnie cały czas. No właśnie i w ogóle o tym nie wiemy, dlatego że prawa fizyki w poruszającym się układzie w przybliżeniu ze stałą prędkością, bo Ziemia w przybliżeniu porusza się ze stałą prędkością tak naprawdę się trochę zakrzywia, bo porusza się w jakieś tam elityczne orbicie wokół Słońca, ten ruch nie modyfikuje prawa fizyki w wysokim sposobie. Jeżeli są jakieś modyfikacje to tylko dlatego, że ten ruch nie jest idealnie prostoliniowy. I tyle. Więc dzięki przyjęciu tej zasady nie ma to jakiś paradoktów i każdy obserwator inercjalny jest równy.
Taka zasada demokracji obowiązująca między nimi. I dlatego tak jak z tym obracaniem nie można powiedzieć, że jeden człowiek ma rację, drugi nie. Jeżeli np. mówimy o tym, czy ten zegar chodzi naprawdę szybciej czy wolniej. Obaj mają w pewnym sensie rację, każdy punkt widzenia jest tak samo uprawniony i można starać się modyfikować ten postulat i odchodzić od niego przyjmując, że jest jakiś wyróżniony układ odniesienia, ale jest lepszy od innych. Ale to już nie będzie tyle względności, to już będzie wyjścia poza tę teorię. I zresztą tego typu konstrukcje były tworzone w XIX wieku. Różne teorie eteru, czyli takiej substancji, która wypełnia cały przeświat względem której można się poruszać albo nie, były rozważane, żeby rozwiązać te problemy elektronatyzmu. Robili to między innymi Lorenz, Bankera i wielu innych.
Tę teorię eteru badali, w której do teorii istnieje wyróżniony układ odniesienia. I Einstein, jego pomysłem było odejść od tego eteru. Pokazanie, że można te zjawiska wszystkie wyjaśnić, nie odwołując się do koncepcji eteru, nie wprowadzając wyróżnionego układ odniesienia, że można w sposób niesprzeczny mówić o elektrodynamice i tych wszystkich dziwnych rzeczach, nie używając wyróżnionego układu odniesienia. I obracając czasoprzestrze. Tak, konsekwencja jest taka, że rzeczywiście się okazuje dziwna, że teoria względności przewiduje różne dziwne konsekwencje. No i teraz jest pytanie, jakie są eksperymenty? Eksperymenty wszystkie, które dotychczas wykonano, przewidywania, teorii względności weryfikują. I nie ma ani jednego eksperymentu, który byłby obecnie znany, który by pokazał jakąkolwiek sprzeczność z przewidzieniami szczególnie tej względności. I w tym sensie mimo licznych prób odważenia szczególnie tej względności eksperymentalnego, nie udało się to zrobić.
I póki co jest to taki opis rzeczywistości, jaki tylko możemy sobie marzyć, żeby mieć. Rozumiemy, że rzeczywiście czas i przestrzeń są czymś innym, niż nam się mogło wcześniej najw nie wydawać. Jeżeli się pojawia jakiś eksperyment, który podważy teorię względności, to to będzie oznaczało, że istnieją wyróżnione układy odniesienia, być może istnieje jakiś ater. I wtedy należałoby się zastanawiać na czymś innym, ale póki co nie ma takich poszeregów. Na pewno dostaniesz to na maila i bez resztą też. Gdzieś tam się to pojawi. No dobra, słuchajcie, więc jeżeli nie chcecie wskoczyć głębiej do tej króliczej nory, to przypominam jeszcze raz o kanale Andrzeju. Powiedz, co ty tam właściwie robisz na tym kanale? To jest tak naprawdę kurs teorii względności.
Troszeczkę bardziej zmatematyzowane, to znaczy są tam jakieś elementarne równania na poziomie między szkoły i średniej, który to jak kurs ja często adresuję do studentów Wydziału Fizyki, ale też osoby, które chcą się na własną rękę nauczyć teorię względności, mogą tam trafić i sobie to trafić po swojemu. Jest to taki elementarny kurs, który zaczyna się od samego początku, dociera aż, wkrótce dojdzie, bo ten nie jest już skończony, do czarnych dziur, ale zaczyna się wszystko od bardzo elementarnych rozważań, szczególnie tej względności. Kurs jest po angielsku, to jest pewne utrudnienie być może. Ale w pierwszym odcinku są napisy. Napisy w końcu trafią pewnie i do wszystkich pozostałych odcinków, tylko jeszcze brakuje mocy przerobowej, żeby to zrobić.
Natomiast zaleta tego kursu jest taka, że on nie jest tylko takim kusem machającym rękami, gdzie ja w pewnych rzeczach mówię, jaki jest i trzeba mi uwierzyć, tylko można sobie prześledzić dokładnie analizując chociażby równania to, co mówię i można przeanalizować, to przemyśleć i de facto zrozumieć głębszy sens tych machających rękami wypowiedzi i samemu przetrawić to i ocenić. Dokładnie. Tu pokazujemy to wszystko, a tam możecie zobaczyć, jak to wygląda w liczbach i dlaczego tak jest. I polecam, naprawdę nie gryzie to, więc zobaczcie sobie, jak to wyglądało. No dobra, słuchaj, to kończymy ten też pierwszy odcinek i co? Zachęcamy do kolejnych odkryjcie teorię względności razem z nami. .
S K R Y B O T
Skrybot. 2023, Transkrypcje video z YouTube
Informujemy, że odwiedzając lub korzystając z naszego serwisu, wyrażasz zgodę aby nasz serwis lub serwisy naszych partnerów używały plików cookies do przechowywania informacji w celu dostarczenie lepszych, szybszych i bezpieczniejszych usług oraz w celach marketingowych.