Dlaczego w układzie w ruchu czas zwalnia?

 

Wiadomo, że jeśli obserwujemy poruszający się układ, to widzimy, że czas w układzie w ruchu zwalnia. Zjawisko jest znane, opisane matematycznie i interpretowane jako wydłużenie wymiaru czasowego w wyniku ruchu. Ponieważ ruch jest względny, więc jeśli my obserwujemy spowolnienie czasu w układzie w ruchu, to także obserwator poruszający się względem nas też obserwuje spowolnienie czasu, ale w naszym układzie. Czyj czas w takim razie zwalnia i czyje wymiary ulegają deformacji? Szczególna Teoria Względności udziela odpowiedzi na te pytania, jednak względność ruchu i wzajemna obserwacja spowolnienia czasu, czy skrócenia odległości są trudne do wyobrażenia i stale wywołują wiele wątpliwości.

 

Chciałbym zaproponować  dużo prostsze niż w STW wyjaśnienie tych zjawisk.

 

Na początek trzeba zdefiniować dwa pojęcia: Rzeczywistość obiektywna i rzeczywistość obserwowana.

 

Rzeczywistość obiektywna jest to rzeczywistość niezależna od nas i sposobu obserwacji. W tej rzeczywistości istnieją ciała i oddziaływają ze sobą. Musimy zdać sobie sprawę z tego, że rzeczywistości obiektywnej jako takiej nie jesteśmy w stanie zaobserwować. Możemy zaobserwować jedynie ciała i wynik oddziaływania ciał w tej obiektywnej rzeczywistości.

 

Inaczej mówiąc nie można obserwować samej pustej rzeczywistości. Jeśli cokolwiek widzimy to jest to zawsze informacja pochodząca od ciał w tej rzeczywistości. Nawet "pusta" przestrzeń, to pusta przestrzeń, ale między jakimiś konkretnymi ciałami, które możemy zaobserwować i obserwacja tych ciał, ich rozmiarów daje nam pojęcie o rozmiarze "pustej" przestrzeni między tymi ciałami.

 

Rzeczywistość obserwowana jest to rzeczywistość, jaką sobie wyobrażamy na podstawie oddziaływania z ciałami i obserwacji ciał i oddziaływań ciał.

 

Oczywiście naturalne jest to, że konstruując pierwsze modele rzeczywistości przyjmujemy, że rzeczywistość obserwowana jest właśnie rzeczywistością obiektywną. Inaczej mówiąc przyjmujemy, że rzeczywistość obiektywna jest taka jak ją widzimy. Takie założenie jest przyjęte w STW, gdzie rzeczywistość obserwowana (czterowymiarowa czasoprzestrzeń) jest utożsamiana z rzeczywistością obiektywną.

 

Rozdzielenie rzeczywistości obiektywnej od rzeczywistości obserwowanej pozwala znacznie uprościć opis zjawisk w STW.

 

Założenia nowego modelu rzeczywistości:

1. Konstrukcja rzeczywistości obiektywnej:

Rzeczywistość obiektywna jest zbudowana z czterech identycznych wymiarów. Wymiary określają pewne odległości, przy czym żaden z wymiarów nie ma z góry określonego znaczenia czasu czy przestrzeni. Wszystkie wymiary są w jednej skali. Możemy przyjąć na przykład, że jednostką miary wszystkich czterech wymiarów jest metr (równie dobrze mogłaby to być sekunda).

Możemy przyjąć takie założenie, ponieważ rzeczywistość obiektywna jest nieobserwowalna (obserwowalne są jedynie ciała w rzeczywistości obiektywnej).

 

2. Ciała w rzeczywistości obiektywnej.

W rzeczywistości obiektywnej istnieją ciała. Ciała te poruszają* się po pewnych trajektoriach. Przyjmiemy, że długość trajektorii jest miarą czasu własnego ciała.

 

W praktyce, jeśli wymiary są określone w metach, oznacza to tyle, że dwa punkty na trajektorii odległe o 300 000 km odpowiadają różnicy czasów równej jednej sekundzie.

*Tak naprawdę ciała istnieją na trajektoriach. Pojęcie "poruszają się" jest tu niewłaściwe i zostało użyte po to, aby łatwiej można sobie było to wszystko wyobrazić

 

3. Oddziaływania między ciałami w rzeczywistości obiektywnej

Ciała mogą oddziaływać ze sobą za pomocą innych cząstek przenoszących oddziaływania. Cząstki przenoszące oddziaływania mogą być emitowane przez ciała jedynie prostopadle do trajektorii tych ciał.

 

 

Jak zostanie pokazane dalej, założenie, że obserwacja ciał jest prowadzona za pomocą cząstek emitowanych prostopadle do trajektorii ciał obserwowanych (w połączeniu z dwoma poprzednimi założeniami) wyjaśnia efekt spowolnienia czasu, skrócenia odległości itd.

 

Przejście od rzeczywistości obiektywnej do rzeczywistości obserwowanej przedstawiono poniżej:

 

Rzeczywistość obserwowana:

 

Czas (obserwowany):

 

Czasy, jakie obserwujemy w różnych układach odniesienia ciał zależą jedynie od kąta nachylenia trajektorii tych ciał.

 

Weźmy dwa ciała A i B istniejące na trajektoriach nachylonych pod kątem j. 

W dalszej części wykażemy, że sinj ma sens prędkości względnej ciał. Jeśli ciało B emituje sygnały (cząstki przenoszące oddziaływania) a ciało A odbiera te sygnały (cząstki) to ciało A jest obserwatorem. Ciało B emituje cząstki prostopadle do swojej trajektorii - rys 1a.

 

Rys. 1a. Obserwator - ciało A obserwuje ciało B za pomocą cząstek wysyłanych przez ciało B prostopadle do trajektorii ciała B. Długości trajektorii odpowiadają czasom własnym ciał.

Widać, że jeżeli w układzie ciała B impulsy zostaną wyemitowane w odstępie Dt' (długość trajektorii jest miarą czasu własnego ciała) to w ciało A odbierze te impulsy w większym odstępie czasu Dt gdzie

 

Dt cosj =  Dt'

 

Ponieważ, jak wspomniano sinj  jest równy prędkości względnej V więc powyższy wzór można zapisać w znanej formie  (dla c=1) 

 

Tak więc obserwator A widzi, że w układzie B czas płynie wolniej.  Jeśli na przykład obserwator A odbiera sygnały od ciała B co Dt =1 sekundę, to zaobserwuje, że w układzie ciała  B sygnały te są wysyłane  co  Dt' = cosj  sekund.

 

Sytuacja obu ciał, A i B, jest identyczna. Jeśli obserwatorem jest cząstka B - rys 1b, to obserwator B obserwuje ciało A za pomocą cząstek emitowanych przez ciało A - prostopadle do trajektorii ciała A i sytuacja się powtarza, z tym, że tym razem ciało B widzi, że czas w układzie ciała A płynie wolniej.

Rys. 1b. Obserwator - teraz ciało B, obserwuje ciało A za pomocą cząstek wysyłanych przez ciało A prostopadle do trajektorii ciała A.

 

Tak, więc zgodnie z nowym modelem, spowolnienie czasu jest jedynie efektem obserwacji i musi być symetryczne.

 

Łatwo zauważyć, że osie czasu układów współrzędnych ciał A i B będą pokrywały się z trajektoriami tych ciał. W rzeczywistości obiektywnej nie ma, więc jednego wyróżnionego kierunku określającego czas. Wymiar czasowy jest inny dla każdego ciała - jest po prostu trajektorią ciała. Stąd przestaje być celowe rozróżnianie pojęć czasu (domyślnie - własności czasoprzestrzeni) i czasu własnego (upływającego w układzie ciała obserwowanego).

 

Tak więc czas nie jest własnością  (obiektywnej) rzeczywistości, a jedynie cechą ciała istniejącego w tej rzeczywistości.

 

Przestrzeń (obserwowana):

 

Przestrzeń poznajemy za pomocą oddziaływań. Zauważmy, że, pomimo, iż rzeczywistość obiektywna jest czterowymiarowa, to oddziaływania mogą się rozchodzić jedynie w trójwymiarowej podprzestrzeni. Wynika to z założenia, że cząstki przenoszące oddziaływania mogą być emitowane jedynie prostopadle do trajektorii ciała obserwowanego - więc w trójwymiarową podprzestrzeń. Jeśli oddziaływania rozchodzą się w trójwymiarowej podprzestrzeni, to każde ciało powinniśmy obserwować tak, jakby się znajdowało w trójwymiarowej przestrzeni. Po prostu przy pomocy "trójwymiarowych" oddziaływań, czwartego wymiaru nie możemy poczuć. Wyjaśnia to - na przykładzie obserwacji w dwuwymiarowej rzeczywistości - rysunek 2a.

Rys. 2a Ciało B obserwuje ciało A.  Trajektorie obu ciał przedstawiono w rzeczywistości obiektywnej

Jak widać ciało B jest obserwatorem. Kierunek rzeczywistości pokrywający się z trajektorią ciała B jest odbierany przez to ciało B jako wymiar czasowy. Drugi kierunek, w którym rozchodzą się oddziaływania - prostopadły do ciała A jest odbierany jako przestrzenny.. Przedstawiony powyżej przypadek pokazuje ciała w dwuwymiarowej rzeczywistości, jednak ciało B "widzi", że ciało A porusza się w jednowymiarowej przestrzeni

 

W nowej rzeczywistości obiektywnej, kierunek interpretowany jako przestrzenny nie musi być prostopadły do kierunku interpretowanego jako czasowy. Jednak nie jesteśmy w stanie zauważyć tego pochylenia, ponieważ uniemożliwia to nam sposób rozchodzenia się oddziaływań. Żeby kąt pochylenia kierunku czasowego w stosunku do przestrzennego na rysunku powyżej był możliwy do pomierzenia, oddziaływania musiałyby rozchodzić się w dwóch wymiarach, a rozchodzą się tylko w jednym (rys 2a.).

Zresztą w przypadkach nierelatywistycznych - jakie obserwujemy na codzień, te kierunki są praktycznie prostopadłe (j=0) i rzeczywistość obserwowana praktycznie pokrywa się z rzeczywistością obiektywną. Różnice zaczynają być widoczne dopiero wtedy, gdy zaczynają odgrywać rolę efekty relatywistyczne.

 

Ponieważ z naszego punktu widzenia wymiary czasowy i przestrzenny są różne, więc naturalne jest to, że wyobrażamy je sobie jako prostopadłe. Na rys. 2b przedstawiono przypadek obserwacji ciała A przez ciało B - dokładnie to co na tys. 2a z tym, że obserwację przedstawiono w układzie xt obserwatora B, gdzie osie x i t są wzajemnie prostopadłe.

Rys. 2b. Ciało B obserwuje ciało A. Ruch ciała A przedstawiono w klasycznym układzie czasoprzestrzennym xt  związanym z ciałem B

 

Zmiana kąta nachylenia osi x i t na prostopadłe przy zachowaniu odległości x i czasów B1 B2 B3, wymagało rozciągnięcia linii świata (w obiektywnej rzeczywistości nazywanej trajektorią) ciała obserwowanego A. Odcinki A1A2 i A2A3 na rys. 2b. muszą być dłuższe niż na rys. 2a. Rozciągnięcie linii świata (trajektorii) ciała obserwowanego przy przejściu od opisu w rzeczywistości obiektywnej (rys 2a) do opisu w rzeczywistości obserwowanej (rys. 2b) jest innym przedstawieniem problemu dylatacji czasu.

 

Obserwacja wielu ciał.

 

Jak pokazano na rys. 2a, obserwując jedno ciało interpretujemy jeden kierunek jako przestrzenny (prostopadły do trajektorii tego ciała). W takim razie obserwując drugie ciało interpretujemy inny kierunek jako przestrzenny. Co zatem będzie, jeśli obserwujemy jednocześnie np. dwa ciała poruszające się po różnych trajektoriach? Czy jesteśmy w stanie zaobserwować obecność czwartego wymiaru?

Przypadek obserwacji takich dwu ciał w rzeczywistości obiektywnej przedstawiono na rys 3a.

 

Rys. 3a. Obserwacja dwóch ciał poruszających się po różnych trajektoriach, przed­stawiona w rzeczy­wistości obiektywnej. Ciała oddziaływują w punkcie a.

 

Ciało 1 wysyła impulsy prostopadle do swojej trajektorii. Więc w przypadku obserwacji ciała 1 kierunek prostopadły do jego trajektorii jest interpretowany jako przestrzenny - osie x1 na rys 3a. Analogicznie - w przypadku obserwacji ciała 2 kierunek prostopadły do trajektorii ciała 2 jest interpretowany jako oś przestrzenna x2 .

Punkt a, w którym zachodzi oddziaływanie ciał jest obserwowany w różnych chwilach czasu: w czasie t1 dla ciała 1 i w czasie t2 dla ciała 2.

 

Poniżej przedstawiono obserwację dwóch ciał z punktu widzenia obserwatora czyli w rzeczywistości obserwowanej - rys. 3b.

Jak wynika z wcześniejszych rozważań obserwator nie jest w stanie zauważyć pochylenia osi x, które ma miejsce w rzeczywistości obiektywnej. Tak więc z punktu widzenia obserwatora, rozróżnienie osi x1 i x2 układów odniesienia przedstawionych na rys.3a - nie jest możliwe. W konsekwencji osie przestrzenne układów x1 oraz x2  na rys 3b. pokrywają się.

 

Rys. 3b. Obserwacja dwóch ciał poruszających się wzdłuż różnych trajektorii przedstawiona w rzeczywistości obserwowanej. Ciała oddziaływają w punkcie a -patrz rys.3a.  Jednak punkt oddziaływania jest obserwowany w czasie  t1 dla ciała 1 i w czasie t2  for body 2.   W punkcie b1b2 , w którym jest obserwowane oddziaływanie, ciała naprawdę nie oddziaływają - rys.3a.

 

Przy przejściu od rzeczywistości obiektywnej do obserwowanej zachowane zostały czasy t1, t2, t3 na osi czasu i obserwowane odległości natomiast rozciągnięte zostały trajektorie (obecnie linie świata) obu obserwowanych ciał analogicznie jak na rys. 2b. Widać, że punkt a, w którym zachodzi oddziaływanie ciał w rzeczywistości obiektywnej, ma w rzeczywistości obserwowanej inne współrzędne dla ciała 1 a inne dla ciała 2. Z kolei punkty b1 i b2 różne w rzeczywistości obiektywnej, w rzeczywistości obserwowanej mają te same współrzędne. Tak więc zgodnie z prezentowanym modelem "prawdziwe" oddziaływanie zachodzi w innym miejscu (punkty a) niż obserwowane (punkty b1 i b2).

Jeśli  śledzimy oddziaływanie dwu relatywistycznych ciał powinniśmy zaobserwować:

Oczywiście w przypadku cząstek mechanizm ten jest nie do uchwycenia, czasy są po prostu za małe - porównywalne z czasem przejścia światła przez odległość równą rozmiarowi cząstki. Natomiast efekt powinien być obserwowany w przypadku oddziaływań odległych ciał w kosmosie - z rysunków wynika, że wielkość efektu jest funkcją odległości.

Powyższa niezgodność zaburzeń ruchu ciał z obserwowanym miejscem ich oddziaływania powinna być właśnie efektem istnienia czwartego, nieobserwowalnego wymiaru.

 

1. Strona główna

2. Pełna wersja teorii

3.Przykład: Odbicie piłki od ściany - transformacja Lorentza w układzie piłki i ściany przed i po odbiciu