Paradoks merenja brzine svetlosti

/ O ponašanju čestice bez mase, iliti maksimalnoj brzini informacije /

A flash of light, a burst of speed, a journey through the cosmic deep, no time to stop, no time to rest, the journey never seems to cease.

A million miles in just a second, a journey that is never done, the speed of light, a cosmic constant, a force that cannot be undone.

Svetlost, iliti kretanje skupa čestica, nosioca svetlosti, odnosno – fotona γ (fos, φῶς), predstavlja jednu krajnje fascinantnu fizičku pojavu, pojavu koja ima tendenciju da se pod određenim uslovima veoma lako ispoljava unutar ovog našeg, naizgled fino podešenog svemira. Otuda nam se ona svakodnevno i odigrava pred očima, onda kada naši receptori svetlosti detektuju tu aktivnost u našem okruženju, ali i mnogo dalje od našeg prisustva. Tada taj specifični skup detektovanih atoma nazivamo svetlošću, odnosno finalnim električnim nadražajem očitanim unutar naših centara u mozgu. No problem je što je ona, svetlost, iako lako uočljiva istovremeno empirijski i veoma skrivena od nas. Odnosno – skriven je jedan od njenih osnovnih atributa – njena brzina prostiranja u prostoru, vakuumu. Savremeni naučni metod jasno raspolaže standardizovanim i javno dostupnim podatkom koji se tiče brzine svetlosti, te je definiše kao kretanje čija brzina iznosi približno 300,000 kilometara u sekundi.

Ipak, problem je što ovaj podatak, sam po sebi, nije apsolutno tačan.

Odnosno – nije dokaziv na način na koji bi mi to očekivali.

.

c

299,792,458 m/s

∼300.000 kps  ^  ∼186.000 mps

c = brzina čestice bez mase (< 1×10−18)

c = maksimalna brzina informacije

c = brzina, tok kauzalnosti

.

A da cela ova problematika u koju ćemo se ubrzo daleko dublje i upustiti, od 1983. godine mi brzinu svetlosti, između ostalog, koristimo i kao standardizovanu osnovu, odnosno merilo za utvrđivanje precizne dužine nečega na čemu baziramo skoro celokupno naše materijalno prisustvo u svim domenima – 1 metra (m). Drugim rečima: distanci koju svetlost prevali u vakuumu za 1/299,792,458. Otuda brzinu svetlosti klasifikujemo kretanjem koje svetlost ispolji u roku od jedne sekunde. No upravo ovde i leži glavni problem s njom, svetlošću, jer nailazimo na svojevrsni paradoks zbog kojeg možda nikada ni nećemo ni moći s apsolutnom tačnošću da utvrdimo istinsku vrednost brzine svetlosti (c) u prirodi.

Baš tako. Niko do sada u potpunosti (odnosno jednosmerno) nije izmerio tačnu brzinu prostiranja svetlosti u vakuumu, samim time niti u bilo kom drugom medijumu!

U čemu je zapravo problem?

Ukoliko bi želeli, na primer, da izmerimo brzinu kretanja bilo kog objekta, recimo lopte, mi moramo jasno znati dva veoma bitna parametra vezi s njom:

tačnu distancu između dve tačke njenog kretanja

i vreme koje je potrebno lopti da pređe distancu između tih dveju tačaka u prostoru

· dakle: distancu delimo vremenom

Kako ovu postavku možemo primeniti na sračunavanje brzine svetlosti?

Nephodan je mentalni eksperiment:

I Zamislimo laser koji generiše i ispaljuje svetlosni snop kroz vakuum u dužini od jednog kilometra. Zatim, startujmo štopericu čim laser ispali svetlosni snop iz tačke A i zaustavimo je [štopericu]  čim snop dosegne tačku B. Ali kako da budemo sigurni da je svetlost prevalila jedan kilometar kretanja ukoliko imamo merni uređaj samo na strani tačke A? Dakle, potreban nam je još jedan merni instrument i kod tačke B, a koji merenje protoka vremena zaustavlja čim detektuje dolazeću svetlost iz tačke A.

Da bi bili sigurni da ova naša merna postavka pravilno, odnosno sinhronizovano, funkcioniše moramo savršeno uskladiti naša dva merna merna instrumenta i zato ih sada žičano povezujemo. Ali, sada se javlja novi problem jer se i električni impuls iz pravca jednog ka drugom mernom instrumentu takođe kreće brzinom svetlosti, te će naša povratna informacija stići ipak sa zadrškom. Odmah nam na pamet pada da to rešimo s uračunatom razlikom između ta dva sata, ali je dodatni problem u tome što brzina električnog impulsa jednaka brzini kretanja svetlosti iz lasera čiju brzinu inicijalno merimo. Upravo je to naš glavni problem od kojeg i polazimo. 

Ia Možda bi bolji plan bio taj da ovaj eksperiment započnemo s ista dva merna instrumenta ali na jednakim pozicijama, jedan pored drugoga, skoro pa u potpunosti sinhronizovane, pa da tek onda, nakon još jednog dodatnog usklađivanja, jedan od njih počnemo da premeštamo ka tački B. Ali sada i u ovom slučaju imamo problem, jer prema Specijalnoj teoriji relativnosti (Special relativity, Albert Einstein) tok vremena za sat, ili bilo koji drugi objekat, koji se kreće drugačiji je, sporiji u odnosu na stacionarnog posmatrača, ili u ovom slučaju merni uređaj na poziciji A.

To na posletku samo znači da kada jedan od instrumenata bude došao do tačke B on više neće biti dovoljno precizno sinhronizovan u odnosu na inicijalno setovanje kada su oba bila stacionarna, s početka opita i njihovog udaljavanja.

Ib Potencijalno rešenje ove zavrzlame jeste u odbacivanju drugog sata na strani B i prethodni zameniti ogledalom koje će reflektovati svetlosni snop lasera nazad ka tački A i tamošnjem mernom instrumentu. Na taj način u tački A mi sada merimo trajektoriju u dužini od 2 kilometra.

.

Prvo zabeleženo eksperimentalno merenje brzine svetlosti u delo je sproveo francuski fizičar Ipolit Fizo (Hippolyte Louis Fizeau) 1849. godine. On je tada to učinio tako što je uperio svetlost prema brzo rotirajućem zupčaniku, te potom ka ogledalu udaljenom 8 (tačnije: 8,633 metara) kilometara dalje. Ubrzavajuću rotaciju zupčanika uspeo je da reflektovanu svetlost primi nazad kroz drugi prorez i na taj način, detektujući reflektovanu svetlost, dođe do željenog podatka. Ali čak i takvom, iz današnje perspektive, primitivnom metodom i aparaturom on je došao do rezultata koji je samo u 5% odstupao od savremenih i veoma preciznih rezultata merenja. Bar iz ugla opšteprihvaćene konvencije.

Fizo je tako došao do vrednosti od 313,000 km/s.

No problem koji uporno i permanentno opstaje, iako uzevši u obzir sve do sada predstavljene, ili predložene, načine merenja – mi kao rezultat dobijamo tek brzinu dvosmernog kretanja svetlosti. Takav rezultat opita nije potpuno garantovan u svojoj verodostojnosti i ne može biti zadovoljavajući. S druge strane nikome još uvek nije pošlo za rukom da utvrdi brzinu svetlosti u samo jednom pravcu njenog prostoranja, te sasvim legitimno pitanje ovde svakako može glasiti: šta ako se brzina svetlosti razlikuje u jednom u odnosu na drugi pravac njenog kretanja? Jer ne postoji ni demanti ni za jednu ovakvu premisu, te baš zato se nikako ne može isključiti ovakva jedna, iako naizgled iracionalna, pretpostavka. Ona koja će uvek kvariti sve prethodne načine merenja brzine svetlosti, podrazumevajući pritom i sve savremene, jer:

šta ako je brzina svetlosti u jednom pravcu 1/2 c, a trenutna u drugom?

.

Moramo zato sada u novi mentalni opit:

II Zamislimo potencijalnu komunikaciju s udaljenim astronautom koji je stacioniran u bazi, na primer, na Marsu. Kada bi poslali signal sa Zemlje ka njemu odgovor bi dobili 20 minuta kasnije. Samim time mi logički zaključujemo da je signalu bilo potrebno 10 minuta da sa Zemlje dopre do Marsa i još 10 minuta u obrnutom smeru.

Ali!

Nije nemoguće (niko ovo još nije opovrgao) da je našem signalu sa Zemlje ka Marsu trebalo čitavih 20 minuta do astronauta na površini crvene planete, a da se odgovor nama vratio momentalno. Problem je, čak da je ova pretpostavka i tačna, što ne bi bili u mogućnosti da uočimo razliku između ova dva scenarija. Mi odavde, sa Zemlje, nikako ne možemo da dokažemo da tako nije bilo, a to jeste konkretan problem, iako možda sa strane samo deluje kao nepotrebna težnja ka uvek nedostižnom perfekcionizmu, koji sada postate čak i metaperfektan.

Upravo je ovo konkretni nedostatak našeg naučnog pristupa i savremenog utemeljanja koji osnovni rezultat ne može da svrsta u proverljivu kategoriju.

.Simultaneity

Ali kada već idemo ovoliko daleko zapitajmo se onda i zašto bi se vrednost brzine svetlosti razlikovala u jednom od dva pravca prostiranja? To je takođe sasvim legitimno pitanje, obzirom da se sada bavimo špekulacijama.

A odgovor bi verovatno bio: Zato što je sasvim moguće da u prostorvremenu postoji nekakav preferencijalni smer kretanja, onaj koji verovatno zavisi od mnogo toga za šta mi još uvek sa sigurnošću ne možemo znati. Ovakva pretpostavka nam ide na ruku jer je i istovremena činjenica da smo se u kosmologiji do sada susretali s mnogo univerzalnih simetrija koje smo u određenim trenucima otkrivali i naučno potom sistematizovali; ali isto tako smo se susretali i s asimetrijama kosmičkih polja, sila ili čestica. Za dobar primer u ovome slučaju možemo se pozvati na činjenicu kako trenutno svedočimo mnogo većoj prisutnosti materije u kosmosu nego li antimaterije, antimaterije za koju se zna da takođe mora postojati u znantnim (ako ne i jednakim) količinama kao i njen parnjak, kao nusproizvod Velikog praska (The Big Bang) i ostataka inicijalne anihilacija tokom koje su se u prvim trenucima nastanka svemira suočili materija i antimaterija.

Zato svedočimo zaista brojnim naučnim radovima koji idu ka tome da se jednoga dana dokaže kako kretanje svetlosti, u različitim pravcima prostiranja, nikako nije univerzalno, niti identično te i da ne podleže istim principima i vrlo verovatno zakonitostima. To bi moglo varirati u svega nekoliko promila, pa sve do veoma nesrazmernih odstupanja, što i jesmo uzeli za prethodne primere i izraženu sumnju u validnost standardizovane forme brzine svetlosti. Opet s druge strane, da, svakako je apsolutno logično i krajnje intuitivno misliti dâ brzina svetlosti mora biti jednaka u svim pravcima njenog prostiranja, ali je suština u tome da se po ovom pitanju pre svega radi o konvenciji. Kolektivnom dogovoru šta bi trebalo biti, a ne šta zaista i provereno jeste naučna činjenica. Sâm Ajnštajn je na to ukazao u svom čuvenom radu iz 1905. godine: ”On the Electrodynamics of Moving Bodies”. Upravo je prvih par strana i posvetio problematici sinhronizovanja mernih instrumenata za lokacije A i B.

On na kraju i zaključuje da ne postoji nikakva šansa za smisleno upoređivanje protoka vremena između ove dve tačke ukoliko:

We have so far defined only an ”A time” and a ”B time”.

We have not defined a common ”time” for A and B, for the latter cannot be defined at all unless we establish by definition that the ”time” required by light to travel from A to B equals the ”time” it requires to travel from B to A.

.

Ovime Albert Ajnštajn jasno definiše kako je brzina svetlosti u različitim pravcima identična i, kurzivom, ”by definition” jasno naglašava, ali i podseća, da je reč samo o konvenciji, konvenciji danas znanoj kao Einstein synchonization convention:

Ovakav holistički pristup ovoj problematici jasno navodi na vrlo važan zaključak na temu jednakosti kretanja brzine svetlosti u svim pravcima, jer:

ovde nije reč o supoziciji (supposition);

niti o hipotezi fizičke prirode svetlosti;

· već o stipulacija (stipulation), koju ja kao pojedinač činim svojom slobodnom voljom ne bih li došao do definicije koncepta kako udaljena istovremenost (zbivanje dva prostorno odvojena događaja u isto vreme) nije apsolutna, već zavisi od referentnog okvira pojedinca, posmatrača (simultaneity).

.

Ovakav Ajnštajnov zaključak veoma smisleno upućuje koliko je, u stvari, suštinski subjektivan stav naučne zajednice u odnosu na to kako bi većina ljudi zamišljala da objektivno definisanje brzine svetlosti trebalo da izgleda. Direktno, jednostrano dokazivanje brzine svetlosti je nemoguće, ne bez posrednih elemenata koji, pak, itekako utiču na generalnu objektivnost dobijenih informacija. U gotovo svim naučnim eksperimentima koji se tiču protoka vremena i inertnih promatrača, jedna stvar oduvek je u primerima bila konstantna – dvosmerno merenje kretanja.

A sve prethodno izrečeno razlog je zašto je tako kako jeste; ali i zašto ne nikako drugačije!

Duže od jednog veka naučnici pokušavaju da ovaj problem reše a da ne pribegnu bilo kakvom vidu zaobilaženja suštine problematike pri pokušajima da izmere jednostranu brzinu kretanja svetlosti u vakuumu. Tako s jedne strane danas imamo one koji tvrde da su postigli, odnosno uspešno obavili takav vid merenja, poput ”A one-way speed of light experiment”, ali i one koji to momentalno, argumentovano pobijaju tvrdeći da je i dalje reč o dvosmernom utvrđivanju, samo s prividom jednostranosti pri merenju.

Vratimo se zato na trenutak našem prvom misaonom eksperimentu i obogatimo ga dodatnim scenarijom:

Ic Šta bi se desilo ukoliko bi između naša dva merna instrumenta postavili poseban, treći uređaj koji bi nezavisno služio za sinhronizaciju prva dva, a koji bi s vremena na vreme slao dva simultana impulsa ka obe strane istovremeno? Ukoliko je brzina svetlosti jednaka u oba pravca to bi onda savršeno sinhronizovalo uređaje. Ukoliko je, pak, brzina različita u drugim pravcima jedan od dva uređaja bi bio za delić vremena ispred onog drugog, ali za tačno određenu mernu jedinicu vremenske razlike.

The debate about the conventionality of simultaneity is usually carried on within the framework of the special theory of relativity. Even prior to the advent of that theory, however, questions had been raised as to whether simultaneity was absolute; i.e., whether there was a unique event at location A that was simultaneous with a given event at location B. In his first paper on relativity, Einstein (1905) asserted that it was necessary to make an assumption in order to be able to compare the times of occurrence of events at spatially separated locations.

His assumption, which defined what is usually called standard synchrony, can be described in terms of the following idealized thought experiment, where the spatial locations A and B are fixed locations in some particular, but arbitrary, inertial (i.e., unaccelerated) frame of reference: Let a light ray, traveling in vacuum, leave A at time t1 (as measured by a clock at rest there), and arrive at B coincident with the event E at B. Let the ray be instantaneously reflected back to A, arriving at time t2. Then standard synchrony is defined by saying that E is simultaneous with the event at A that occurred at time (t1 + t2)/2.

This definition is equivalent to the requirement that the one-way speeds of the ray be the same on the two segments of its round-trip journey between A and B.

 – Conventionality of Simultaneity

Iz istog razloga pri svakodnevnom civilnom korišćenju GPS-a (The Global Positioning System) za satelitsku navigaciju sinhronizacija nikako ne može biti uspešna sama po sebi, ne bez naknadno uračunatih korekcija za odstupanja (vremenska dilatacija, time dilation), no polazna pretpostavka jeste da je brzina svetlosti jednaka u svim pravcima. Ukoliko pak to nije slučaj, i brzina svetlosti varira u odnosu na pravac kretanja, signal satelita bi se prostirao različitom brzinom te merni uređaji na oba kraja ne bi mogli biti ispravno sinhronizovani, čak ni pored trenutno uračunatih nepravilnosti. Uvek bi merili samo iz jedne prespektive kretanja, a to nikako ne bi bilo dovoljno za preciznost koju je nephodno ostvariti da bi sistem bio održim i upotrebljiv. Ili bi lokalni slučaj bio druge prirode, jer bi možda zavisio od lokalnosti ispoljavanja… Da. Ovo sada već postaje preterano konfuzno i uskori bi trebali da stanemo s ovime.

Ali samo još:

Id Ali ukoliko bi počeli s dva merna sata na sredini AB trajektorije, te počnemo s njihovim razdvajanjem jednakim brzinama ka A i B pozicijama? Na taj način bi iskusili jednaku vremensku dilataciju i ostali bi ispravno sinhronizovani do dolaska na njihove krajnje merne pozicije. Ali nas i to na kraju vraća samo na inicijalnu pretpostavku da je brzina svetlosti jednaka u svim pravcima. Jer ukoliko c zavisi od pravca, onda bi to isto važilo i za dilataciju, ne? Čak i da satove razdvajamo najmanjom mogućom brzinom (?!), ne bi li time maksimalno umanjili uticaj dilatacije, ukoliko je c različito u pravcima onda i dalje ne možemo da koristimo formulu da utvrdimo taj nemonovni uticaj.

Opet ne bi znali magnitudu omaške…

.

Sve nas ovo polako vodi ka finalnom zaključku. Vodi nas ka paradoksu gde nemamo kuda dalje s ovom našom, makar inicijalno, časnom namerom, jer: trebaju nam sinhronizovani satovi da izmerimo jednostranu brzinu svetlosti, ali onda moramo znati vrednost jednostrane brzine svetlosti ne bi li satove startno sinhronizovali.

Da li je moguće ikako doći do konkretne vrednosti jednostrane brzine svetlosti? Postoji li taj parametar uopšte? I ako ne postoji šta to znači za koncept simultanosti (concept of simultaneity, kada se dva, prostorno odvojena događaja vremenski poklope)? Kada je SADA na Marsu? I ima li uopšte smisla govoriti o stvarima koje se dešavaju istovremeno na različitim udaljenostima? Možda je ovo samo jedan nusproizvod našeg kosmosa za koji ne postoji validno, logičko objašnjenje. Ostaje interesantno na kraju to šta bi nam, potencijalno, jedna ovakva korigovana perspektiva gledanja na brzinu svetlosti sa sobom donela. Na primer: subjekt s Marsa koji posmatra Zemlju video bi je s kašnjenjem od 20 minuta; dok bi nama pogled sa Zemlje ka Marsu dao uvid u stanje na Marsu u realnom vremenu. U stanje kakvo je trenutno tamo, bez ikakvog kašnjenja. Naravno, ovo se ne bi odnosilo samo na posmatranje Marsa, već i na zvezde udaljene stotinama svetlosnih godina od nas i sve bi njih onda sagledavali ne onakvima kakve su bile pre više vekova, već kakve su sada. U ovom trenutku vremena koji i mi sada živimo.

Mi o svetlosti znamo tek onoliko i samo onda kada ona dopre do nas, te ne možemo sa sigurnošću znati kakav je tačno ona put prevalila, i kroz kakave medijum, dok do nas nije stigla onakvom kakva je, odnosno kakvom je mi sada detektujemo. Kroz šta je na tom putu prolazila i na koje je sve načine prostorvreme na nju uticalo tokom njenog puta (slično gravitacionoj optici, odnosno gravitacionom sočivu (gravitational lensing) – efektu do kojeg dolazi kada svetlost prolazi pored velikih gravitacionih centara, crnih rupa, koje remete uniformnost prostora kroz koji se svetlost prostire, te menjaju i ono šta na kraju i vidimo). I ko zna šta sve još na šta još ni ne pomišljamo jer jednostavno ne znamo. Jer iz naše perspektive, mimo svega drugoga, mi je [svetlost] jednostavno uočimo i ona je trenutno tu. Pred nama. To je jedan od razloga takođe da ovo novo-staro sagledavanje trenutnosti brzine svetlosti komotno izjednačimo s onim kako je konvecionalno uobličeno u definiciju znanu kao c.

Suma sumarum: vrlo verovatno da je istinska brzina svetlosti je nespoznatljiva na način kako mi to klasično imamo ukalupljeno, potreban je novi model. Novo gledište i druga pravila prema nekim drugim zakonitostima koja su nam za sada strana. Ili je bar za sada tako u vezi sa savremenim mernim principima i praksom njenog naučnog sagledavanja. Sve do tada jednostavnije je, ali i praktičnije, da celu ovu problematiku posmatramo kroz opšte prihvaćenu normu, odnosno međunarodni-naučni konsenzus inicijalno baziran na pomenutom naučnom radu Ajnštajna iz 1905. godine.

Samim time:

c u svim pravcima

.

Celokupni aparat fizike funkcionisao bi identično i da je, recimo, c = c2, ili da je brzina svetlosti trenutna.

Ili bilo kakva varijacija između.

Sve dok je:

A < — > B  = c

fizika će biti stabilna, sasvim dovoljno funkcionalna za naše civilizacijske potrebe.

A ako se na kraju zaista ispostave crne slutnje maločas pomenute, te da možda nikada ne budemo u bili u stanju da jednostrano izmerimo brzinu svetlosti i ako to nema nikakve direktne i preterane konsekvence na zakone fizike do kojih danas držimo koja je onda uopšte poenta pričanja o ovoj problematici i postavljati je u prvi plan? To je sasvim dobar argument za situaciju koja i traje upravo od famozne, više puta do sada pominjane, 1905. godine, kada je aktivno ova debata i otpočela u naučnim krugovima. Mnogi naučnici zbog specifičnosti cele ove situacije često pribegavaju primeni Okamove oštrice (Occam’s razor), svojevrsnom logičkom principu koji datira još iz XIV veka, a koji ima za cilj da određeni fenomen objasni sa što je moguće manje pretpostavki.

Eliminišući time sve one koje ne utiču na zaključke hipteze ili teorije, jer:

ENTIA NON SUNT MULTIPLICANDA PRAETER NECESSITATEM

Entiteti se ne smeju umnožavati više nego što je neophodno
Odnosno: ako su svi ostali kriterijumi jednaki, najjednostavnije rešenje je i najbolje rešenje

.

Otuda je načelno najjednostavnije rešenje da se svi složimo oko toga da se svetlost kreće u svim pravcima jednakom brzinom. Po istom tom principu velika većina savremenih naučnika prihvata ovaj ugao gledanja na definisanje brzine svetlosti i nastavlja dalje svojim putem, ne gubeći više vremena na stvari mimo njihovih sfera uticaja – utemeljujući time naučnu konvenciju znanu kao c, a koja ne predstavlja emirijski dokazanu činjenicu.

A stvari možemo postaviti i tako da ovo možda i jeste konkretan dokaz da je potrebno još vremena da napravimo naredni veliki iskorak u našoj naučnoj evoluciji, naučnom pristupu, kada ćemo jednog dana, putem Teorije svega uvideti kako je naša sadašnja nemogućnost da izmerimo jednostranu brzinu svetlosti samo još jedan delić slagalice koji nam je falio, a koji je neophodan da prespoji trenutni zjapeći ambis između Opšte teorije relativnosti (General relativity) s jedne strane i kvantne mehanike (Quantum mechanics) s druge strane spektra merenja naše celokupne realnosti. Prostorvremena.

Jednom kada to budemo uvezali zaputaćemo se kako je samo bilo moguće da to ranije nismo uvideli.

Avaj, tako je oduvek i bilo…

ODABIR TEMA


Pratite diskusiju/Subscribe
Obaveštavaj/Notify

0 Comments / Komentara
Inline Feedbacks
View all comments