Wstęp do części drugiej

Przez wiele stuleci przyjmowano, jako oczywiste, że Słońce i planety poruszają się dookoła nieruchomej Ziemi. Nawet w dzisiejszych czasach można niekiedy spotkać pogląd, że równie dobrze można mówić o ruchu Słońca i planet dookoła Ziemi (system geocentryczny) jak o ruchu Ziemi i planet dookoła Słońca (system heliocentryczny). Z punktu widzenia kinematyki oba opisy ruchu są równoważne, chociaż opis w systemie geocentrycznym jest dość skomplikowany. Natomiast z punktu widzenia dynamiki te opisy ruchu są zdecydowanie różne. Jak wiadomo, ciało może poruszać się po okręgu, jeżeli działa na niego odpowiednia siła skierowana do środka tego okręgu. Jaka siła w układzie geocentrycznym zmusza Słońce do ruchu po okręgu dookoła Ziemi? Z planetami jest jeszcze gorzej. Żeby wyjaśnić ich ruch dookoła Ziemi musimy oprócz ruchu po okręgu, którego środkiem jest Ziemia, wprowadzić dodatkowy ruch po mniejszym okręgu o środku leżącym na większym okręgu. Oczywiście można by powiedzieć, że istnieje w otoczeniu Ziemi specjalne pole, które zmusza Słońce do ruchu po okręgu i planety po bardziej skomplikowanych orbitach. Ale wprowadzenie takiego pola niczego nie wyjaśnia, jedynie maskuje naszą niewiedzę. W systemie heliocentrycznym sytuacja jest znacznie prostsza. Zarówno Ziemia jak i planety podlegają takiemu samemu prawu powszechnej grawitacji i opis ich ruchu jest prosty i zrozumiały.

W teorii grawitacji Newtona przyjmuje się, że ciała się przyciągają bez podania fizycznej przyczyny, dlaczego tak się dzieje. W OTW Einsteina ciała materialne zmieniają geometrię czasoprzestrzeni, która wpływa na ruch ciał, ale brak wyjaśnienia w jaki sposób. Teoria Newtona dobrze opisuje oddziaływanie grawitacyjne. Ten opis jest jeszcze lepszy w teorii Einsteina ale w obydwu brak mechanizmu oddziaływania grawitacyjnego. Jak wytłumaczyć, że Wszechświat rozszerza się z coraz większą prędkością? Powołuje się do życia specjalne pole o ujemnej energii, które odpowiada za takie rozszerzanie. Żeby wyjaśnić, dlaczego cząstki mają masę bezwładną, wprowadza się specjalne pole, które ma nadawać cząstkom masę. Jaka jest przyczyna spadania ciał? Brak wyjaśnienia – wprowadza się pole grawitacyjne.

W tej książce obserwowane rozszerzanie Wszechświata, istnienie masy, przyczyna spadania ciał wynikają, w prosty sposób, z określenia grawitacji, jako wynik oddziaływania między cząstkami za pośrednictwem grawitonów. Nie trzeba wprowadzać żadnych dodatkowych pól. Ponadto ta teoria w prosty i zrozumiały sposób wyjaśnia szereg innych zjawisk związanych z oddziaływaniem grawitacyjnym i z tego powodu zasługuje na uwagę czytelnika zainteresowanego grawitacją.

Przestrzeń, to miejsce gdzie znajdują się rzeczy i zachodzą zdarzenia (zjawiska). Czas, to sposób porządkowania zdarzeń (zjawisk). W przestrzeni można mierzyć odległość między rzeczami; w czasie odstęp między zdarzeniami.

Czas, odległość i pojęcia pochodne są wytworami ludzkiego umysłu powstającymi wtedy, gdy pojawia się obserwator mający zegar odmierzający kolejne jednostki czasu oraz jednostkę długości do mierzenia odległości. Pojęcie czasu powstało ze względu na zmiany zachodzące w naszym świecie. Czas jest nierozłącznie związany z zegarem. Przy pomocy zegara obserwator może porządkować kolejne wydarzenia, przez niego obserwowane.

Jeżeli mówimy o czasie, to musimy wyraźnie określić obserwatora i wskazać zegar, którym ten obserwator odmierza czas. Obserwator porządkuje zdarzenia w takiej kolejności, w jakiej otrzymuje informacje o ich zaistnieniu.

O odległości możemy mówić wtedy, gdy wskażemy sposób jej porównywania z odległością, którą obserwator określa jako jednostkową.

Jak wiadomo z STW różni obserwatorzy mający identyczne zegary i jednakowe jednostki długości mogą widzieć świat w różny sposób.

Dla potrzeb fizyki odległość i czas powinny być dobrze zdefiniowane. Odległością nazywamy funkcję, w której punktom przestrzeni i jest przyporządkowana liczba rzeczywista zwana odległością punktów i , określona przez obserwatora i jego jednostkę długości. Odległość powinna spełniać dobrze znane własności. Czas jest funkcją, w której zdarzeniu jest przyporządkowana liczba rzeczywista zwana chwilą czasu, określona przez obserwatora przy pomocy zegara z nim związanego. Odległość i czas są bezpośrednio określone jedynie w pobliżu obserwatora mającego odpowiednią jednostkę długości i zegar. Dla odległych punktów przestrzeni obserwator ustala odległość punktów i chwilę czasu zdarzenia w sposób pośredni, na przykład przez wykonanie odpowiednich obliczeń.

W praktyce odległość i czas są określone z pewną dokładnością. Na ogół zdarzeniu można przyporządkować jedynie przedział czasu , w którym zaszło dane zdarzenie. Różnicę nazywam czasem w którym nastąpiło dane zdarzenie.

W życiu codziennym pojęcie czasu nie jest sprecyzowane i używane w różnych znaczeniach, co prowadzi do pewnych nieporozumień. Niekiedy danemu zdarzeniu jest przyporządkowane inne zdarzenie, ale w końcowym wyniku zdarzeniu jest przyporządkowana liczba.

W dalszym ciągu zakładam, że każdy obserwator ma własny zegar pozostający względem niego w spoczynku, który odmierza jednostki czasu i pokazuje rosnący ciąg liczb określający ilość jednostek czasu od chwili początkowej do chwili obecnej. Zegary dla każdego obserwatora są tak samo zbudowane i jeżeli znajdują się w spoczynku względem siebie i obok siebie, to odmierzają jednakowe jednostki czasu. Takim zegarem może być zegar świetlny zbudowany z dwóch równolegle ustawionych, w odległości , zwierciadeł połączonych sztywnym prętem. Między zwierciadłami prostopadle do nich porusza się foton odbijający się od tych zwierciadeł. Jednostką czasu niech będzie czas potrzebny fotonowi na przebycie podwójnej odległości między zwierciadłami. Za jednostkę długości możemy przyjąć podwojoną odległość między zwierciadłami zegara.

Długość odcinka, pozostającego w spoczynku względem obserwatora, mierzona taką jednostką długości nie zależy od kierunku (orientacji), w jakim jest on ustawiony w przestrzeni. Identycznie zbudowane zegary znajdujące się blisko siebie, różnie zorientowane w przestrzeni odmierzają takie same jednostki czasu. Jest to potwierdzone w eksperymencie Michelsona-Morleya. Prędkość światła . Każdy obserwator, który zmierzy prędkość światła blisko siebie, otrzyma taką samą wartość liczbową prędkości światła, co jest wynikiem używanego sposobu mierzenia długości i czasu.

Każdy obserwator znajduje się w początku prostokątnego układu współrzędnych i zegar świetlny z nim związany określa dla niego jednostkę czasu i jednostkę długości odkładaną na każdej osi układu. Układ nie musi być układem inercjalnym. Zakładam, że przestrzeń jest trójwymiarowa.

Czasoprzestrzeń jest tylko wygodną konstrukcją matematyczną, ale nie jest rzeczywistością fizyczną. Czas jest zupełnie czymś innym niż przestrzeń. Dla każdego obserwatora rzeczywistość fizyczna istnieje tu i teraz. Do rzeczywistości istniejącej w chwilach wcześniejszych nie ma powrotu. W układach inercjalnych obowiązuje STW i wszystkie wynikające z niej wnioski.

Cząstki elementarne mają swoje własności, takie jak: położenie, masa, ładunek elektryczny, pęd, energia …. Te własności istnieją niezależnie od tego czy je mierzymy czy nie. Zakładam realizm ale wykluczam lokalność.

OTW jest opisem oddziaływań grawitacyjnych, ale nie podaje mechanizmu tych oddziaływań. W OTW ciała materialne powodują zakrzywienie przestrzeni, a więc między materią i przestrzenią zachodzi pewne oddziaływanie. Jaki jest mechanizm tego oddziaływania? Tego OTW nie wyjaśnia.

Możemy to wyjaśnić poprzez oddziaływanie między cząstkami materii oraz przestrzeni za pośrednictwem cząsteczki-grawitonu.

Myślę, że w fizyce trzeba na równi traktować materię i przestrzeń. Własności materii zależą od własności przestrzeni i odwrotnie własności przestrzeni zależą od własności materii.

W Feynmana wykładach z fizyki[1] można przeczytać następujący fragment.

"Proponowano wiele mechanizmów wyjaśniających działanie prawa ciążenia. Warto się zastanowić nad jedną z tych propozycji, którą w różnych okresach wysuwało wielu badaczy. Kiedy po raz pierwszy „ wpada się” na tę myśl, jest się bardzo szczęśliwym i podnieconym, ale wkrótce okazuje się, że jest ona błędna. Pierwszy raz wysunięto ją około roku 1750. Wyobraźmy sobie, że w przestrzeni porusza się we wszystkich kierunkach i z wielką szybkością ogromna liczba cząstek, które przy przechodzeniu przez materię ulegają tylko bardzo słabemu pochłonięciu. Cząstki, które zostaną pochłonięte, nadadzą Ziemi pewien impuls. Ponieważ jednak tyle samo cząstek przychodzi ze wszystkich stron, impulsy się równoważą. Ale jeśli w pobliżu znajduje się Słońce, do Ziemi przychodzi z tej strony mniej cząsteczek niż ze strony przeciwnej, ponieważ zostały one po drodze częściowo pochłonięte przez Słońce. Ziemia zostaje więc popchnięta w kierunku Słońca i łatwo obliczyć, że impuls ten jest odwrotnie pro­porcjonalny do kwadratu odległości, gdyż w takim stosunku maleje kąt bryło­­wy idący od Słońca do Ziemi. Co w tym mechanizmie szwankuje? Pociąga on za sobą pewne konsekwencje, które się po prostu nie zgadzają z rzeczywistością. Mamy mianowicie następujący kłopot. Na poruszającą się dokoła Słońca Ziemię uderzałoby więcej cząstek od przodu niż od tyłu (kiedy biegniemy podczas deszczu, deszcz mocniej pada na twarz niż na tył głowy!). Zatem impuls od przodu byłby silniejszy niż ze strony przeciwnej i Ziemia napotykałaby pewien opór hamujący ruch i zmuszający ją do zwalniania biegu po orbicie. Można obli­­czyć, ile trzeba by czasu, aby ten opór spowodował zatrzymanie się Ziemi, i oka­­­­zuje się, że Ziemia powinna by się już była dawno zatrzymać, a więc wyjaśnienie jest po prostu błędne. Nie wymyślono, jak dotąd, żadnego mechanizmu „wyjaśniającego” grawitację, który by jednocześnie nie przewidywał jakichś zjawisk, których w rzeczywistości nie ma."

Po przeczytaniu tego fragmentu chciałem zbudować taki model oddziaływania grawitonów z cząstkami, w którym nie byłoby oporu hamującego ruch jednostajny i który wyjaśniałby mechanizm bezwładności i grawitacji. Rozpocząłem budowę modelu oddziaływania grawitacyjnego od zera. Założyłem, że przestrzeń nie jest ciągła, ale podobnie jak materia, składa się z cząstek. Grawitony są cząsteczkami wirtualnymi, które mogą oddziaływać z cząstkami materii oraz przestrzeni. Za pośrednictwem grawitonów cząstki elementarne mogą wymieniać między sobą energię i pęd. Zbudowałem kilka takich modeli, prostych i skomplikowanych, w których grawitony oddziaływały w różny sposób z cząstkami materii oraz przestrzeni, jednak występowały w nich sprzeczności, lub jeśli wyjaśniały bezwładność to nie działała w nich grawitacja lub Feynman miał rację.

Podczas budowy tych modeli popełniałem dużo błędów. Jednak z tych nieudanych modeli wynikały pewne wnioski pozwalające zbudować taki, który pozwala wyjaśnić bezwładność i grawitację, jako wynik wzajemnego oddziaływania elementarnych cząstek materii oraz elementarnych cząstek przestrzeni (próżni), za pośrednictwem innych cząsteczek - grawitonów. W przedstawionym obecnie modelu Ziemia nie doznaje oporu hamującego, ze względu na jej oddziaływanie z grawitonami, podczas jej ruchu po orbicie.

Przedstawiony w tym wydaniu model grawitacji, jak obecnie sądzę, najlepiej wyjaśnia zjawiska związane z od­dzia­ły­waniem grawitacyjnym.

Zbudowanie prezentowanego w tej książce modelu grawitacji było możliwe dzięki szybkiemu rozwojowi fizyki w ubiegłym stuleciu; w szczególności Teorii Kwantowej i Ogólnej Teorii Względności.

Chciałem wyjaśnić oddziaływanie grawitacyjne na gruncie znanej fizyki, ale jak obecnie sądzę to jest niemożliwe. Podczas pisania tej książki zmieniłem swoje poglądy na niektóre pojęcia fizyczne, które wydawały się mocno ugruntowane. Odrzuciłem równość masy grawitacyjnej i bezwładnej, jak również, w pewnym stopniu, względność ruchu. Swoje proste wyobrażenie ruchu cząstek elementarnych musiałem zmienić na zupełnie inne, takie, aby oddziaływanie grawitacyjne nie hamowało jednostajnego ruchu ciała w układzie inercjalnym.

Oddziaływanie grawitacyjne zachodzi między elementarnymi cząstkami. Mechanizm oddziaływania grawitacyjnego można zrozumieć tylko wtedy, jeżeli przyjmiemy, że nasz świat ma charakter kwantowy.

Wartości wielkości fizycznych są wyrażone w układzie SI.

W tej książce proponuję nową teorię oddziaływania grawitacyjnego między materią oraz przestrzenią za pośrednictwem grawitonów, w której:

  • Przestrzeń tak jak i materia ma sens fizyczny.
  • We Wszechświecie istnieje jeden wyróżniony układ odniesienia, w którym ruch cząstek elementarnych ma szczególny charakter.
  • Ruch cząstek elementarnych nie jest ciągły, ale jest skokowy i jest podobny do ruchu falowego. Pozwala to wyjaśnić dlaczego ciała poruszające się ruchem jednostajnym w układzie inercjalnym nie są hamowane w wyniku oddziaływania z grawitonami. Możemy w prosty sposób wyjaśnić w jaki sposób elektron wysyła promieniowanie podczas jego hamowania w polu elektrycznym. Również z tego założenia wynika dlaczego elektron nie spada na proton i dlaczego atom wodoru nie traci energii przez promieniowanie.
  • W układzie inercjalnym ruch jednostajny ciała materialnego, na które nie działają żadne siły, jest skutkiem oddziaływania tego ciała z materią oraz prze­strzenią całego Wszechświata za pośrednictwem grawitonów. To oddziaływanie nie powoduje hamowania tego ruchu ciała.
  • Określam prosty mechanizm wyjaśniający bezwładność ciał oraz „przyciąganie” grawitacyjne między materialnymi ciałami, w wyniku ich oddziaływania z materią oraz prze­strzenią za pośrednictwem grawitonów.
  • W dużej skali do oddziaływania grawitacyjnego można stosować rachunek różniczkowy, natomiast w skali mikro wraz ze zmniejszaniem się masy cząstek to oddziaływanie staje się nieciągłe i coraz bardziej chaotyczne. Oddziaływanie grawitonów z cząstkami o małych masach powoduje niepewność w określaniu ich położenia, pędu i energii. Ta niepewność jest podstawową cechą naszego świata i nie może być usunięta.
  • Masa bezwładna oraz grawitacyjna ciała jest efektem oddziaływania jego cząstek elementarnych z innymi cząstkami elementarnymi Wszechświata, za pośrednictwem grawitonów.
  • Masa bezwładna ciała nie jest równa jego masie grawitacyjnej.
  • Masa ciała i tempo upływu czasu są ściśle ze sobą powiązane.
  • Istnieje prosty związek między jednostkami czasu i odległości, w polu grawitacyjnym, dla różnych obserwatorów pozostających względem siebie w spoczynku.
  • Oddziaływanie grawitacyjne określa prosty mechanizm zmiany energii wewnętrznej (masy grawitacyjnej) ciała, poruszającego się w niejednorodnym polu grawitacyjnym, na energię kinetyczną lub pracę i odwrotnie.
  • Ugięcie promieni świetlnych przebiegających blisko Słońca jest wynikiem zmiany prędkości światła w polu grawitacyjnym.
  • Siły działające na jednostkę masy ciała w każdym przypadku są skończone i ograniczone z góry. Siły grawitacji w żadnych warunkach nie są nieskończone.
  • Przesunięcie peryhelium planety można wyjaśnić przez wprowadzenie, z oczywistych powodów, niewielkiej modyfikacji równania ruchu ciała w polu grawitacyjnym.
  • Tempo upływu czasu w polu grawitacyjnym nigdy nie zmniejsza się do zera.
  • Oddziaływania grawitacyjne, materialnych ciał, dla małych odległości (do wielkości gromad galaktyk) są „siłami przyciągania”, natomiast dla większych odległości są „siłami odpychania”.
  • Wszechświat może się tylko rozszerzać ze wzrastającą prędkością i malejącym przyspieszeniem. Czas jego istnienia jest większy, niż szacowany przy założeniu, że tempo ekspansji jest takie jak obecnie lub zmniejsza się.
  • Stała grawitacji i stała Plancka mają odpowiednio taką samą wartość dla każdego obserwatora i w każdym miejscu. Prędkość światła ma taką samą wartość dla każdego obserwatora, który dokonuje jej pomiaru blisko siebie. Dla ustalonego obserwatora wartość prędkości światła może się zmieniać w zależności od miejsca w prze­strzeni, dla którego jest przez tego obserwatora obliczana.
 

[1] Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands: Feynmana wykłady z fizyki, tom I, część 1, Warszawa 1968, PWN, s. 120

© Copyright 2009-2017 by Ryszard Wałek