Miért a fényt véljük abszolút nullának? Miért terjed minden, amire nincs hatással semmi más, fénysebességgel? Miért ez az abszolút 0 a fény, és minden hasonló dolog hatására?

Nem szabad abba hagyni a kérdezést, kérdezz minél többet mindig mert abból tanul az ember. Nyugodtan gondold át a kérdésed és tedd fel akár ide vagy új kérdésbe, szívesen segítünk rendbe rakni a dolgokat a fejedben.

A relativitáselmélet nagyon izgalmas téma, fontos megérteni bizonyos alapvető gondolatokat hogy tovább gondolhasd. Ez egyébként igaz a fizika többi részére is, szépen az elejétől kell felépíteni.

Szabó Gábornak van egy nagyon jó jegyzete a témában, nem győzöm linkelkedni a hasonló kérdésekre, ha érdekel a téma olvasd át egyszer.

[link]

Bizots találasz valami érdekeset az elte fizweb oldalán is, vagy akár youtube-n Dávid Gyula előadásokat a témáról.

#14

Erre írtuk, hogy nem igazán van miértje a dolognak. Elsőnek a Maxwell-egyenletekből jött ki az, hogy a fény – pontosabban minden elektromágneses hullám – vákuumban vett sebessége állandó kell, hogy legyen. Másrészt meg is figyeltük, hogy fény a létrejöttének körülményétől függetlenül terjed egy bizonyos sebességgel, és hogy ez a sebesség bármilyen vonatkoztatási rendszerben mérve ugyanannyi, függetlenül attól, hogy a vonatkoztatási rendszerek milyen sebességgel haladnak egymáshoz képest. Ez egy megfigyelés, mérés.

Ezen megfigyelések ellentmondásainak feloldására született a speciális relativitáselmélet, ami ebből a megfigyelésből indul ki. Tulajdonképpen geometriai szempontból próbálta megfogni ezt a jelenséget, és geometriai megoldást hozott a newtoni mechanika ellentmondásaira. Pl. van egy vonat. A töltésről nézve a vonat v sebességgel halad. A vonatról nézve meg a töltés halad ellenkező irányban v sebességgel. Viszont mindkettőről nézve ugyanaz a fény ugyanakkora sebességgel halad. Hogyan írható le egy olyan koordináta-rendszer az töltés illetve a vonat esetén, amiben a másik tárgy – a vonat illetve a töltés – a megfelelő sebességet mutatja, és a fénysebesség is ugyanannyi.

Einstein talált rá megoldást. Ehhez viszont fel kellett rúgni a térről, időről alkotott képünket, hogy ezek valamiféle abszolút fogalmak lennének. Az idő is, a tér is ezen elmélet szerint csak egy adott rendszerben értelmezhetőek, ha egy másik vonatkoztatási rendszerre térünk át, ezeket a mennyiségeket át kell konvertálni.

Pl. a newtoni mechanikában két sebességet simán csak összegezni kell. Ha a töltéshez képest a vonat v₁ sebességgel halad, a vonathoz képest a kalauz meg v₂ sebességgel halad, akkor a töltéshez képest a kalauz v₁ + v₂ sebességgel halad. De miért kellene ilyen egyszerűnek lennie ennek a viszonynak? A spec. relativitáselmélet egy bonyolultabb képletet ad a két sebesség összegzésére – azaz a kalauz sebessségének a vonatról a töltésre történő átkonvertálására –, ami így néz ki:

v = (v₁ + v₂) / (1 + v₁v₂/c²)

Ha v₁ és v₂ nagyságrendekkel kisebb c-nél, akkor a v₁v₂/c² részben nagyon kicsi mennyiségeket osztunk nagyon nagy mennyiséggel, azaz nullához közeli értékkel bír ez a részkifejezés, gyakorlatilag elhanyagolható mennyiség. Így a két sebesség összege közelítően (v₁ + v₂) / (1 + 0,000…000???) = (v₁ + v₂) / (1,000…000???) ≈ v₁ + v₂

Ergo visszakaptuk a newtoni törvényekből levezetett sebességösszeget.

Ha viszont v₂ = c, akkor:

v = (v₁ + v₂) / (1 + v₁v₂/c²) = (v₁ + c) / (1 + v₁c/c²) = (v₁ + c) / (1 + v₁/c) = (v₁ + c) / (c/c + v₁/c) = (v₁ + c) / ((c+v₁)/c) = (v₁ + c) * c / (v₁ + c) = c

Tehát a fénysebességet bármilyen más sebességgel összegzed, a fénysebességet kapod vissza. Nem körül-belül, hanem pontosan. Ergo ha valami tőlem fénysebességgel halad, akkor egy hozzám képest v sebességgel haladó valamiről nézve is fénysebességgel halad.

Hogy miért van így? Az erő miért a tömeg és a gyorsulás szorzata? Miért nem mondjuk a tömeg négyzetének, a gyorsulásnak, meg a hőtágulási együtthatónak a szorzata? Fura kérdés. Válasz erre az, hogy „azért, mert úgy figyeltük meg, hogy ez így van”? Kétségtelenül nem válasz, nem adja meg annak az okát, hogy ez a három mennyiség (erő, tömeg, gyorsulás) így függ össze. De lehet erre értelmes választ adni? Miért fúj a szél? Miért süt a nap? Ezekhez hasonló kérdés ez, csak míg a szél is, a napsütés is összetett jelenség, amely bonyolult, sok paraméteres rendszer, ezért ez mégis vizsgálható. De itt alapmennyiségek, alapjellemzők között van ez az összefüggés.

Vagy ott van az általános relativitáselmélet kiinduló kérdése. Azt megmértük, hogy a tehetetlen tömeg és a súlyos tömeg nagyon-nagyon pontosan megegyezik, bármilyen anyag esetén. Anno a fizika meg is elégedett ezzel a méréssel. Einstein tette fel a miért kérdését. A kétféle tömeg elvileg akár el is térhetne egymástól. Miért azonosak? Einstein abból indult ki, hogy valószínű azért, mert ugyanarról a jelenségről van szó. Mikor gyorsítunk valamit és mikor két test gravitációs erővel vonzza egymást, az a két jelenség egy és ugyanaz. Ilyen módon tudta leírni a gravitációt úgy, mint egy az anyag által okozott gyorsulás. Tehát mikor te a földön állsz, akkor tulajdonképpen a gravitációs mező által torzított térhez képest felfele gyorsulsz. A nyugalmi állapotod a te „egyenes vonalú egyenletes mozgásod” az lenne, hogy gyorsulva zuhansz lefele. Ehhez persze megint fel kellett rúgni pár triviálisnak tűnő képet a világunkról, de az új kép konzekvens, és jól leírja a világunkat, és még magyarázatot is ad néhány addig kezelhetetlen jelenségre, új jelenségeket jósolt meg, stb…

De itt két különböző dolog közötti összefüggésre tették fel a miért kérdését. Megint arról van szó, hogy egy összetett jelenséghalmaz elemei között találtunk ok-okozati kapcsolatot. A fénysebességnél viszont nincs ilyen. Egy egy elemű halmazban nem lehet ok-okozati összefüggést találni, mert nincs mi között ok-okozati összefüggést találni.

Ez ugye a fénysebességről, mint a relativitáselmélet egy konstansáról szól. Most nézzük a fény sebességét, azaz az elektromágneses mező terjedési sebességét. (Fontos ez a megkülönböztetés. A kettőt azonosnak tudjuk, de elméletileg akár el is térhetnének egymástól.)

Hogy a fény miért pont fénysebességgel halad? Nos ez már fogósabb kérdés. Nem tudjuk. Valószínű az elektromágneses jelenségek határozzák meg azt, hogy milyenek a fizikai törvényeink. Hogy az általad „minden más”-nak hívott gravitációs hullám miért fénysebességgel terjed? Itt már jobban kapiskáljuk a választ. Anno az elektromos és a mágneses mezőt is különbözőnek tartottuk, és ha úgy különösebb fizikai ismeretek nélkül megnézzük, különbözőnek is tűnik. De kiderült, hogy ugyanannak – az elektromágneses névre keresztelt – jelenségnek a két vetületéről van szó, hasonlóan ahhoz, mint ahogy a kör is, a négyzet is ugyanannak a hengernek a vetülete, attól függően, hogy oldalról, vagy felülről nézzük.

Oké, később sikerült egyesíteni az elektromágneses elméletet a gyenge kölcsönhatás elméletével is, így a kvantummechanikában már az elektrogyenge kölcsönhatásról van szó. Jelenleg a törekvésünk az, hogy ebbe be lehet vonni az erős kölcsönhatás leírását is. Ha ez sikerülne, megszületne a „nagy egyesített elmélet”. Nem biztos, hogy sikerül ez az egyesítés. Lehet, hogy kiderül, hogy nem lehet egyesíteni egységes matematikai leírással a kölcsönhatásokat. De lehet, hogy igen, és valahol az a sejtésünk, hogy igen. Az ezt követő lépés lenne a kvantummechanikai kölcsönhatások egyesítése a relativitáselmélet által leírt gravitációval. Ettől még nagyon messze vagyunk, de már ezt is elneveztük, ez lenne a „minden dolgok elmélete”, vagy a „mindenség elmélete”.

Ha ez az egyesítés sikerül, válasz kapunk arra, hogy a gravitáció terjedési sebessége miért azonos a fény terjedési sebességével. Azért, mert ugyanannak a jelenségnek a két különböző megnyilvánulásáról van szó. Persze ekkor is kérdés maradhat, hogy ez a sebesség miért egyezik meg a fénysebességgel, azaz a relativitáselmélet c-jével. Ebben az irányban is vannak alapvetően elméleti kutatások.

Mindenesetre egy olyan kérdésre kérsz tőlünk választ itt és most, amely válaszért kapnak majd úgy 50-100 év múlva emberek Nobel-díjat. :-)