On oikeastaan aika mielenkiintoista, että nämä nykytieteelliset näkemykset maailmankaikkeudesta, ajasta ja harhasta, alkavat muistuttaa suhteellisen paljon Hindujen pyhiä kirjoituksia. Hehän nimittävät uskontoaankin usein "Elämän Tieteeksi".

Kiitos jälleen kerran mielenkiinoisesta kirjoituksesta!

Olen usein leikitellyt ajatuksella, miltä maailma näyttäisi, jos olisin fotoni. Silloinhan aika pysähtyy siinä mielessä, että matka esim. maasta kuuhun kestäisi minun mielestäni nolla sekuntia. Eli fotonille kolmiulotteinen maailma onkin kaksiulotteinen?

Entä jos olisin hiukkanen, joka kulkee maasta kuuhun nopeudella 0,9999999999 x c, ja fotoni menisi vierelläni samaan suuntaan. Näkisinkö sen lähes paikallaan, vai olisiko meidän välinen nopeus silti aina c? Entä jos olisin toinen fotoni?

Jyri Tynkkynen:

Valon nopeudella kulkevien hiukkasten kohdalla "hiukkasen mukana kulkeva kellon mittaama aika" ei ole mielekäs suure kehityksen kuvaamiseen. Se on tosiaan vakio, eli teknisesti ottaen fotoneille ei kulu aikaa, jos aika ymmärrettäisiin samalla tapaa kuin alivalonnnopeudella liikkuvin havaitsijoiden tapauksessa. Ei pidetä mielekkäänä puhua valon nopeudella kulkevista havaitsijoista.

Valon nopeus on sama riippumatta siitä, miten nopeasti kulkee. Eli esimerkissäsi sinun ja fotonin välinen nopeus olisi c.

Kiitos paljon tästä blogista! Todella selvästi esitettyjä teesejä kaltaiselleni ei-fyysikolle.

Filosofi Eino Kailalla on mielenkiintoinen tietoteoreettinen essee "Arkikokemuksen perseptuaalinen ja konseptuaalinen aines", joka mielestäni vahvistaisi esittämiäsi argumentteja.

Tuossa esseessään Kaila esittää, että meillä on kolmenlaisia, luonteeltaan aste-eroisia näkökulmia maailmaan: koemme maailman p-, f- ja fysikaalisina esineinä, jotka muodostavat tietoteoreettisen hierarkian. P-esineet ovat esineitä sellaisina kuin ne ilmenevät välittömän havainnon, perseption kohteina. Esimerkiksi airo vedessä on p-esineiden näkökulmasta taittunut. F-esineet ovat esineitä arkinäkökulmasta. Esimerkin airo vedessä on f-esineenä "oikeasti" suora, sillä arkisena esineenä se on laitettu suorana veteen ja sen voi nostaa vedestä käteen ja todeta tunnustelemalla sitä sen suoruuden.

Fysikaalisissa esineenä "taittunut" airo on ilman ja veden keskinäisen taittokertoimen matemaattinen mallinus. Tällä tasolla ei esineellä ole enää mitään kvaliteetteja; henkilökohtaiset mieltymykset eivät enää juuri vaikuta tähän hyvin käsitteelliseen esineeseen. Se on aikalailla yksilöllisistä ja henkilökohtaisista tekijöistä vapaa.

Fysikaalisten esineiden näkökulma on siinä mielessä tiedollisesti korkea-asteisin, että sen invarianssi, siis esiintymisen säännönmukaisuus on kaikista maailmaan ottamistamme näkökulmista korkein. Lisäksi voidaan sen väittää olevan myös puolueettomin ja luotettavin.

Teoria ei johda siihen, että pitäisimme f- ja p-esineitä jotenkin ontologisesti, olemassaolon kannalta epätodellisimpina. Pikemminkin tietoteoreettisessa mielessä fysikaalista näkökulmaa voidaan pitää totuudellisimpana. Tai näin ainakin Kailan teorian pohjalta voidaan väittää.

Alan Dorkin:

Nämä kaksi todellisuuskäsitystä eivät ole erillisiä. Kvanttifysiikka pitää sisällään rajatapauksena klassisen fysiikan, jonka kuva todellisuudesta on sama kuin ihmisaivojen intuitiivinen käsitys. (Vaikkakin se, miten lähes klassinen fysiikka tarkalleen ottaen seuraa kvanttimekaniikasta ei ole kokonaan selvää - suhteellisuusteorian kohdalla ei muuten ole tällaista ongelmaa.)

Onko millään mitä ei voida havaita, tai josta ei voida laatia toimivaa tieteellistä teoriaa, loppujen lopuksi isoa merkitystä meille? Mielestäni tieteellinen metodi ja ihmisen omat aistit yhdessä ovat aika hyvä pohja maailmankatsomukselle, kunhan pitää mielessä, että joskus nekin voivat olla väärässä.

Itse blogi oli mielenkiintoinen kuten yleensä. Jatkossa olisi mukava kuulla lisää myös tutkimuslaitosten ja vastaavien joka päiväisestä elämästä. Esimerkiksi CERNin putoilevat ikkunat ja kahviloiden aukioloajat olivat kiinnostavaa luettavaa.

zhaa:

Toive noteerattu. (Ikkunat putoilivat Geneven yliopistolla, ei CERNissä.)

(No mikäs nyt on kun viestit lyhenee. Uusi yritys jälleen)

"Suppeassa suhteellisuusteoriassa on itseasiassa vain oleellista, että signaalien maksiminopeus on absoluuttinen eli sama kaikille"

Aivan, eli käytännön signaalinopeudet ovat aina riippuvaisia lähteen ja havaitsijan nopeudesta. Mutta mikä on riippuvuusyhtälö? Ilmakehässä riippuvuus lienee c1 +/- v, missä v on havaitsijan nopeus lähteen suhteen ja c1 on signaalin nopeus lähteen koordinaatistossa.

Tarkastellaan siis signaalin nopeutta makromaailmassa. Eli esimerkiksi havaitsijan x -akselia pitkin kulkevalle signaalille määrittyy jokin makromaailman nopeus. Jos asiaa ajatellaan fotonitasolla, niin onko kyse sitten fotonien liikeradan projektiosta x -akselilla. (Suhteellisuusteoeiahan ei millään muotoa puutu kvanttitason tapahtumiin, mutta toki niitä voi kuriositeettina pohtia).

Tällaisen makrotason signaalin nopeus ilman muuta riippuu jonkin yhtälön mukaisesti havaitsijan ja lähteen keskinäisestä nopeudesta. Ilmakehän tiheydessä makromaailman signaalin nopeus lienee siis c1 +/- v, missä v on havaitsijan nopeus lähteen suhteen.

Käytännön esimerkkinä voisi ajatella mastosta matkapuhelimeen lähtevää signaalia. Jos puhelin on autossa joka on maston suhteen paikallaan, niin signaali saavuttaa puhelimen nopeudella c1. Mikäli toinen auto liikkuu mastosta poispäin nopeudella v, sen koordinaatistossa saman signaalin nopeus on eri, koska c1 ei voi olla invariantti nopeus. Nopeus liikkuvan auton koordinaatistossa voidaan määrittää vaikka hyvin tunnetun Doppler -kaavan avulla. Tässä tapauksessa siis Doppler -ilmiö johtuu aallon nopeuden muutoksesta ja Doppler -kaava antaa liikkuvassa koordinaatistossa aallon nopeudeksi c-v.

Toisena esimerkkinä voisi tutkia seuraavaa. Meillä on avaruudessa kaksi Maan suhteen eri nopeudella liikkuvaa havaitsijaa, jotka onnistuvat lähettämään signaalit Maahan siten, että ne eivät vuorovaikuta avaruuden harvan aineen kanssa. Signaalit tulevat siis postulaatin mukaan invarianttisesti Maan ilmakehään asti, jossa ne väistämättä muuttuvat varianttisiksi. Signaaleilla on siis ilmakehään saavuttuaan nopeudet, jotka jälleen riippuvat signaalien lähettäjien ja Maan keskinäisestä nopeudesta. Näin siksi, koska luonto ei heitä arpaa ja samalla nopeudella liikkuvan havaitsijan signaali kulkee ilmakehässä aina samalla nopeudella.

Tässä kohtaa huomataankin sitten jotain todella merkittävää. Jos signaalit saapuvat ilmakehään samalla nopeudella, niin mistä ilmakehä "tietää" säätää nopeudet oikeiksi? No, eihän se tietenkään voi sitä tietääkään. Näin ollen signaaleilla täytyy olla niille ominainen nopeus koko matkan ajan.

Toisella tapaa sanottuna tämä tarkoittaa sitä, että valon tyhjiönopeuskaan ei voi olla invariantti, vaan se riippuu havaitsijan ja lähteen liiketilasta.

Ja kyllä, olen tietoinen niistä kymmenistä ja taas kymmenistä kokeista, joilla suhteellisuusteoria on "todistettu" oikeaksi. Valitettavasti ne on kuitenkin tulkittu väärin. Ihminen on erehtyväinen.

Leone:

Kokeellisesti varmennetun fysiikan teorian osoittaminen virheelliseksi ajatuskokeilla edellyttää tuon teorian ymmärtämistä.

Valon nopeus väliaineessa on pienempi kuin valon nopeus tyhöjössä (c), ja näinollen se todella riippuu havaitsijasta. Väliaineessa, vaikkapa vedessä, voi jopa matkata valoa nopeammin (mutta kuitenkin pienemmällä nopeudella kuin c). Tähän liittyy Tserenkovin säteilynä tunnettu ilmiö (jonka voi nähdä omin silmin ydinreaktorissa).

Nopeudet eivät ole additiivisia. Toisin sanoen, jos kappaleen nopeus maapallon suhteen on v ja havaitsijan nopeus maapallon suhteen on u, niin kappaleen nopeus havaitsijan suhteen ei ole v-u. Tällainen yhteenlaskeminen pätee vain likipitäen silloin kun nopeudet ovat paljon pienempiä kuin c. Mitä lähempänä kappaleen nopeus on arvoa c, sitä vähemmän se riippuu havaitsijan liikkeestä sen suhteen, kunnes arvolla c se on siitä täysin riippumaton. Yksityiskohtia löytyy suhteellisuusteorian alkeita käsittelevistä kirjoista.

Eli siis löytyykö suhteellisuusteorian puitteissa vastausta siihen, mikä on avaruudesta saapuvan signaalin nopeus ilmakehässä, jos oletetaan että signaali matkasi invarianttisesti Maahan asti ja lähteen nopeus Maan suhteen on v (joka on paljon pienempi kuin c)? Toisaalta sen siis pitäisi riippua lähteen nopeudesta, mutta tämä johtaa ongelmaan miten nopeus osaa säätyä ilmakehässä, koska signaali ei sisällä informaatiota lähteen nopeudesta invarianttisuusoletuksen vallitessa.

Jos ei Syksy löydä tähän kysymykseen vastausta, niin josko sieltä CERN:istä joku kollega osaisi ottaa kantaa? Tämän luulisi olevan sellainen kysymys, joka teoreettista fyysikkoa kiinnostaa.

...viesti katkesi "on pienempi kuin" -merkkiin... eli piti jatkua:

"Ajatuskokeen mukaan siis signaalit tulevat invarianttisesti Maan ilmakehään asti jolloin ne muuttuvat varianttisiksi, eli alkavat riippumaan Maan ja lähteen välisestä nopeudesta." -- Tässä siis menee pieleen; valonnopeus ei tosiaan riipu maan ja lähteen välisestä nopeudesta, se ei siis ole c+v tai c-v. Kuten Syksy mainitsi, valonnopeus on aina sama, ja sen miksi se _vaikuttaa_ kulkevan hitaammin välianeessa, voit ajatella johtuvan valon poukkoilusta välianeen hiukkasten seassa (sen kulkema matka on siis pidempi).

Tässä asiassa et itseksesi pohtimalla pääse pitkälle. Aiheesta on tosiaan olemassa helppolukuista materiaalia, ja ongelma aukeaa sinulle helposti vaikka lukemalla Stephen Hawkingin kirjan "Ajan lyhyt historia" (vuodelta 1996). Toinen helppolukuinen kirja, joka muistaakseni pureksii tämän asian, on Steven Weinbergin "Unelmia viimeisestä teoriasta". Toki asia selviää mistä tahansa fysiikan oppikirjasta, joka käsittelee aihetta.

Sansavail: “Ajatuskokeen mukaan siis signaalit tulevat invarianttisesti Maan ilmakehään asti jolloin ne muuttuvat varianttisiksi, eli alkavat riippumaan Maan ja lähteen välisestä nopeudesta.” — Tässä siis menee pieleen; valonnopeus ei tosiaan riipu maan ja lähteen välisestä nopeudesta, se ei siis ole c+v tai c-v. Kuten Syksy mainitsi, valonnopeus on aina sama, ja sen miksi se _vaikuttaa_ kulkevan hitaammin välianeessa, voit ajatella johtuvan valon poukkoilusta välianeen hiukkasten seassa (sen kulkema matka on siis pidempi).

Jos luet Syksyn vastaukset uudemman kerran, hänkin nimenomaan sitten myönsi, että valon nopeus ilmassa riippuu havaitsijan ja lähteen välisestä nopeudesta. Ja tässä on siis kyse nimenomaan makroskooppisen signaalin nopeudesta (eli toisin sanoen informaation siirtonopeudesta), jolle löytyy ihan mitattu arvokin. Signaali ei siis mitenkään vain "vaikuta" liikkuvan hitaammin väliaineessa, vaan esimerkiksi mastosta lähtevä signaali saavuttaa sinua juuri tuolla nopeudella. Signaali voidaan siis määritellä kvanttitason liikeradan projektiona esim. x -akselilla. Fysiikan opetuksen kannalta on aika kummallista, ettei tätä asiaa tuoda esille (vai eikö ole ymmärretty?): Vain yksi em -signaalinopeus voi olla invariantti, muut sitä pienemmät signaalinopeudet ovat variantteja, eli riippuvat lähteen ja havaitsijan välisestä liiketilasta.

Jos sitten palataan ajatuskokeeseen, niin se siis yllä olevan perusteella osoittaa miksi signaalin tyhjiönopeuskaan ei voi olla invariantti: Maan ilmakehässä matkaavan signaalin nopeus siis välttämättä riippuu avaruudessa olevan lähteen ja Maan suhteellisesta nopeudesta. Jos signaali tulisi avaruuden läpi invarianttisesti, niin ilmakehä ei "tietäisi" mihin nopeuteen se pitäisi "säätää" ilmakehässä, koska invariantti signaali ei sisällä tuota tietoa yleisessä tapauksessa.

Asia on siis päivänselvä. Vai kuvitteliko joku ihan tosissaan, että Lorentzin kaavat, jotka johdettiin olettamalla virheellisesti absoluuttinen eetteri, ikäänkuin aivan uskomattomalla tuurilla olivatkin juuri ne oikeat?

Syksykin voisi kommentoida tuota ajatuskoetta, kun kerran tässä blogissa pitäisi maailmankaikkeutta etsimistä käsitellä. Viimeiseksi jäänyt argumentti oli siis aika täydellinen huti, koska riippuvuusyhtälöllä ei ollut merkitystä ja v voidaan lisäksi valita niin, että esitetty yhtälö pätee ainakin likimain (oli EST oikein tai ei).

Minulla olisi muutama kysymys, joihin haluaisin mahdollisesti selvennystä.

Syksy : "Valon nopeus on sama riippumatta siitä, miten nopeasti kulkee. Eli esimerkissäsi sinun ja fotonin välinen nopeus olisi c."

- En nyt kyllä tätä ihan ymmärrä. Jos c = 299 792 458 metriä sekunnissa ja minun vauhtini olisi vaikka 299 000 000 metriä sekunnissa niin minun ja fotonin välinen vauhtiero olisi "vain" 792 458 metriä sekunnissa eikä siis täysi valonnopeus. (?)

Syksy : "Esimerkiksi fotonilta kestää yli miljoona vuotta kulkea Auringon ytimestä pinnalle, koska se törmäilee ioneihin ja elektroneihin matkalla."

- Miljoona vuotta? Eihän tuollaista voi kukaan tietää tai edes mitata. Vai johtuuko tämä arvio auringon tiheydestä ja oletuksesta, että fotonit syntyvät auringon keskipisteessä?

Sansavail : "valonnopeus on aina sama, ja sen miksi se _vaikuttaa_ kulkevan hitaammin välianeessa, voit ajatella johtuvan valon poukkoilusta välianeen hiukkasten seassa (sen kulkema matka on siis pidempi). "

- Tuo tarkoittaisi sitä, että valo muuttaisi matkalla suuntaa?

Moi!

Kosmisessa mittakaavassa hyvä ja paha, rakkaus ja viha, itse elämäkin ovat
vain mitättömän ja pian katovan ihmisrodun haihattelua. (esko valtaoja).

Eräällä galaksilla, n 10 miljardin valovuoden päässä, tapahtui valtava määrä
räjähdyksiä, jotka vastaavat triljoonaa atomipommia.
Räjähdyksiä riitti jokaiselle sekunnille 30 milj. vuoden ajaksi.(TA)

Ehkä tähänkään taida riittää ihmisen käsityskyky.

Menchi:

Juuri näin.

[...] ensimmäiset antihiukkaset on havaittu juuri kosmisten säteiden avulla. Kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian yhdistämisen ensiaskelia oli Paul Diracin vuonna 1928 muotoilema ja nykyään hänen nimeään [...]

[...] edellistä edellisessä merkinnässä siitä, miten suppea ja yleinen suhteellisuusteoria ovat muuttaneet käsitystä ajasta, erityisesti siitä miten ne [...]