Osa2: Epäselvyys suhteellisuusteorian aika ja etäisyys käsityksissä

[velihopea]

Päivää. Tämä on jatkoa 5/2023 aloittamalleni aiheelle "Epäselvyys suhteellisuusteorian aika ja etäisyys käsityksissä" (ESAJEK). Se oli jo mennyt niin pitkäksi että sen rönsyjä ei kukaan jaksa kahlata, joten loin tämän "Osa2: ESAJEK" aiheen. Olen tässä väliaikoina kysellyt ja ehkä oppinutkin lisää suhteellisuusteoriasta (ST), ja voisin jakaa ymmärrystäni muillekin, jos lukijoissa sattuisi olemaan kanssani samanlaisia kovakalloja, joihin ST:n todellisuuden mallinnos ei tunnu uppoavan.

Varoitan lukijaa, että tekstini on ei-ammattilaisen yritystä ymmärtää ST:aa, minkälaisiin käsitysumpikujiin olen päätynyt oman järkeilyni kanssa.

Korjaukset ja kommentit ovat tietysti tervetulleita.

[velihopea]

Postauksessani ESAJEK/08.08.2023 (viesti #53) esitin, että valokello ei toimi. Eli että se olisi huuhaata. Nimittäin sen avulla opetetaan aikadilaatiota liki kaikissa ST:n opetusvideoissa. Nyt perun väitteeni. Sorry, että tulin levittäneeksi vääriä epäilyjä.

Kyse on siitä periikö fotoni emittoijansa liikevektorit. Valokellohan on kuin tiimalasi, jossa lattia ja katto ovat peilejä, joiden välissä yksittäinen fotoni pomppii ylös alas. Kun kello on paikallaan, fotoni seilaa suoraan ylös-alas, niin kellon sisältä kuin ulkoakin nähtynä. Kun kello liikkuu oikealle v-nopeudella, sisäpuolinen näkee että fotoni yhä seilaa suoraan ylös-alas lattian ja katon keskikisteiden kautta mutta ulkopuolinen näkee kuin fotoni seilaisi sik-sak rataa.

Kysymys ja epäilykseni tässä lähti siitä, että periiköhän fotoni (joka mm. on massaton ja kuinka sillä voi olla kineettistä energiaa) emittoijansa liikevektorit ja millä perusteella.

Nyt ymmärrän, että tarkkaan ottaen asia riippuu... Oletetaan, että valokellossa on kiinteästi kelloon liitetty valolähde, fotonitykki, puoliläpäisevän pohjapeilin alla keskellä. Kello lähtee käyntiin kun tykki ampuu yhden fotonin suoraan ylös.

1. Jos valokello on käynnistetty sen ollessa paikallaan, mutta hetken päästä se laitetaan liikkumaan v-nopeudella oikealle, valokello ei toimi! Ts. sillä pomppivalla fotonilla ei ollut perittyä liikevektoria oikealle. Se että kellon "liikeympäristö" alkoi liikkumaan, ei kaappaa mukaansa tuota fotonia.

Tässä minua on häirinnyt opetusvideoiden tapa jättää tämä asia huomiotta. Ikäänkuin antavat ymmärtää, että paikallaan toimiva valokello jatkaa samanlaista toimintaa kun se laitetaan liikkeeseen. Ei jatka samanlaisena vaan se pomppiva fotoniparka ei enää osu katon keskelle vaan hieman siitä vasempaan ja pomppaa siitä enemmän vasempaan yms. Tuolla tavalla valokellon sisällä oleva näkisi fotonin lentoradan muuttuneen. Mutta valokellon ulkopuolinen näkisi, että fotoni on senkus pitänyt suuntansa.

2. Mutta jos valokello on ensin laitettu liikkeeseen, ja sitten sen tykistä (joka liikkuu myös oikealle) ammutaan se fotoni, silloin fotoni saa v-nopeuden sivusuuntaan ja se osuu katon keskipisteeseen. Sisäpuolinen näkee fotonin radan samanlaisena kuin paikallaankin, eli lattian ja katon keskipisteiden kautta suoraan ylös-alas. Ulkopuolinen näkee radan sik-sakkina.

3. Jos liikkeessä olevan valokellon sivunopeutta muutetaan, kello menee taas sekaisin. Sama juttu kuin kohdassa 1. Mutta jos valokellossa onkin sellainen fotonitykki, joka ampuu fotoneja keskeytyksettä, kello on sekaisin niin kauan kunnes vanhalla sivunopeudella olevat fotonit ovat pomppineet kellosta pois.

4. Oletetaan että jostain ulkoavaruudesta lentää liikkuvan valokellon sisään fotoni, jolla sattuu olemaan vaikka sama suunta kuin sillä ylös-alas fotonilla joka pomppi valokellossa se ollessa paikallaan. Jos tuo vierailija tulee sisään yläkautta, sisäpuoliselle näyttää kuin sen rata olisi lievästi vasemmalle vino. Ulkopuolinen näkee vierailijan radan suoraan alas.

Nyt kirjoitettuna edellinen tuntuu päivänselvältä. Mutta demonstroikoon se kovakalloisuuttani siitä, että minulla meni pitkään ennen kuin sain ymmärrykseni mielestäni kohdalleen.

[velihopea]

Yksi asia valokello asiassa on minulle vielä epäselvä: Mikä on se fysikaalinen syy ja järkeily, että fotoni perii emittoijansa liikevektorit. Ei sitä liikevektoria, joka on samaan tai vastakkaiseen suuntaan millä fotoni kulkee c-nopeutta. Kyse on niistä emittoijan muista liikevektoreista. Eli jos vaikka heitettäisiin tikkaa liikkuvassa junassa seinästä seinään, silloin käy järkeeni, että tikan lentoradassa on junan liike mukana. Järkeilyni perustan siihen, että tikan junan liikkeen suuntainen kineettinen energia ei voi hävitä mihinkään.

Mutta jos tikka onkin massaton fotoni, koetin etsiä fotonille ensin massaa sen energian perusteella olevasta "mass equivalencestä", ja siitä ja emittoijan liikkeestä lasketusta kineettisestä energiasta. Nettihauilla en löytänyt tähän mitään. Ja ChatGPT, joka on lukenut kaiken mitä netissä on kirjoitettu asiasta ja tiivistänyt vallitsevan käsityksen, ei ollenkaan lämmennyt mass equivalence spekulaatioilleni.

Jos osaat valaista tätä asiaa, olisin kiitollinen.

[Eusa]

Niin valokellolle kuin kaikelle muullekin pätee se, että tasainen liike on suhteellista. Suljetun järjestelmän kaikkiin jäseniin "tarttuu" sama nopeus, valoonkin, kun vaihdetaan vastakkaisen nopeuden suhteelliseen tarkasteluun - ja pätee se, että kiihtyvyys on absoluuttista; kaikki ovat yhtä mieltä siitä, että avoimessa järjestelmässä vaihdetaan kappaletta koko ajan muuksi vuorovaikuttamalla jonkin ulkopuolisen kanssa.

Kun valokelloa kiihdytetään, pitää kiihdytettäessä hienovaraisesti peilejä kääntää, koska valo taipuu kiihdytyksen myötä kaarelle, eikä pysyisi "kyydissä" samansuuntaisten peilien välissä.

[mistral]

Kun valokelloa kiihdytetään, pitää kiihdytettäessä hienovaraisesti peilejä kääntää, koska valo taipuu kiihdytyksen myötä kaarelle, eikä pysyisi "kyydissä" samansuuntaisten peilien välissä.

Kyllä, hiukan kun kääntää niin valo osuu kohdalleen. Jos valokellon kiihtyvyys on 9,81m/s^2 niin kulma lienee sama kuin kuussa näkyisi 12,5m pitkä jana, sen kulma.

[kuunylinen]

Ei tuo ST mitään helppoo oo! Mutta tuohon velihopean 1. kohtaan luulisin että vaikuttaa juuri kiihtyvyys, mutta kun on palattu tasaiseen uuteen nopeuteen niin fotonin pingpong rata taas vakiintuu. Mutta pitääkö tuo alunperin paikkansa jos valokello viedään lähelle mustan aukon mahtavaa gravitaatiokenttää ja asetetaan kyljelleen niin fotonin rata on kaareva mutta palaa aina samaan pisteeseen toisessa peilissä? Fotonin mielestä reitti on suora. Mutta peili sotkee selvää asiaa, taitaa pudota mustikseen. Tiedä häntä sitten.

Mutta tuo ulkopuolelta tullut fotoni ei pysy peilien välissä koska se abitraation takia tulee vinossa kulkusuunnasta.

[mistral]

Olisko gravitaatiokentän vaikutus sama kuin kiihdytyksen eli Einsteinin hissi.

[velihopea]

Eikös valokello-mallinnuksen idea ole, että siinä on pelinappulana vain valokellon vakionopeus v. Eli mallinnuksessa ei oleteta gravitaation läsnäoloa. Sen vaikutuksen huomioiminen olisi sitten eri tarinansa valon taipumisineen yms.

Niin valokellolle kuin kaikelle muullekin pätee se, että tasainen liike on suhteellista. Suljetun järjestelmän kaikkiin jäseniin "tarttuu" sama nopeus, valoonkin, kun vaihdetaan vastakkaisen nopeuden suhteelliseen tarkasteluun - ja pätee se, että kiihtyvyys on absoluuttista; kaikki ovat yhtä mieltä siitä, että avoimessa järjestelmässä vaihdetaan kappaletta koko ajan muuksi vuorovaikuttamalla jonkin ulkopuolisen kanssa.

Tuosta nopeuden "tarttumisesta" valoonkin en saa oikein otetta. Se kyllä jotenkin kuvaa tilannetta. Mutta kysyin, jos joku osaa selittää, mikä on se fysikaalinen syy, että massaton fotoni saa tuon emittoijansa v-nopeus-tartunnan. Eli kun valokello on ensin laitettu vakaaseen v-liikkeeseen ja sitten se fotonitykki ampuu kertalaakilla vain yhden fotonin suoraan ylös ja se fotoni näyttää ulkopuoliselle kulkevan sik-sakkia ja samalla liikkuvan valokellon mukana.

[mistral]

Eikös valokello-mallinnuksen idea ole, että siinä on pelinappulana vain valokellon vakionopeus v. Eli mallinnuksessa ei oleteta gravitaation läsnäoloa. Sen vaikutuksen huomioiminen olisi sitten eri tarinansa valon taipumisineen yms.

Tuosta nopeuden "tarttumisesta" valoonkin en saa oikein otetta. Se kyllä jotenkin kuvaa tilannetta. Mutta kysyin, jos joku osaa selittää, mikä on se fysikaalinen syy, että massaton fotoni saa tuon emittoijansa v-nopeus-tartunnan. Eli kun valokello on ensin laitettu vakaaseen v-liikkeeseen ja sitten se fotonitykki ampuu kertalaakilla vain yhden fotonin suoraan ylös ja se fotoni näyttää ulkopuoliselle kulkevan sik-sakkia ja samalla liikkuvan valokellon mukana.

Kysytkö  emittoijan eli peilin nopeuden? Se tulee kahdesta komponentista, ensimmäinen on poikittainen ja toinen pitkittäinen, siis pitkittäinen on nopeus eteenpäin (kellon nopeus). Jos kello kiihtyy g:n verran eli 9.81m/s^2 niin komponentti on varmaan alle tuhannesosamillin (jos kellon korkeus on 2m). Yritän laskea, kuun etäisyys n. 385 000 000m ---> 2m/385 000 000m = 0,0000000052. Tällä kerrotaan se 12,5m tai 12500mm. Kertolasku toi 0,000065mm, tämä on kellon kiihtyvyyssuuntainen komponentti. Eli osuessaan kattopeiliin, kello on kiihtynyt 65nm (nanometriä) jos oikein laskin. Niinkuin näkyy, peilin kulma on äärettömän pieni jos se tekee 2m matkalla 65nm komponentin eteenpäin.
Käytin kuuta vain sen vuoksi että valolta kestää reilun sekunnin sinne, siitä tuli se 12,5m jana. Jos kuu olisi tasan sekunnin päässä niin silloin janan pituus olisi ollut 9,81m (minkä kello kiihtyy sekunnissa)

Anteeksi tämä "sävelletty" laskelma, oikea fyysikko olisi tehnyt kunnon kaavat.

Lisäys: korjasin laskua, jaoinkin 385 000 000m 2m:llä = 192 500 000 ja sitten jaoin 12500mm 192 500 000:lla niin tuli sama tulos 65nm. Näköjään väärällä ja oikealla tavalla pääsi samaan tulokseen!
Jokatapauksessa se jana kuussa on kolmion yksi sivu ja olennaista on kulma, se pysyy samana oli hypotenuusa miten pitkä tahansa. Eli kun hypotenuusa lyhenee 2m:in niin molemmat kateetitkin lyhenee samassa suhteessa.

[velihopea]

Kysytkö  emittoijan eli peilin nopeuden? Se tulee kahdesta komponentista, ensimmäinen on poikittainen ja toinen pitkittäinen, siis pitkittäinen on nopeus eteenpäin (kellon nopeus). Jos kello kiihtyy g:n verran eli 9.81m/s^2 niin komponentti on ...

Kyllä tarkoitan sen fyysisen valokellolaitteen vakio-v-nopeutta oikealle peileineen. Ajatusesimerkissä ei testiaikana ole kiihtyvyyttä, gravitaatiota, vapaata pudotusta tms. mailla eikä halmeilla. Joten laskelmat sellaisiin liittyvistä asioista ei minusta ole tässä kiinnostavia.

[mistral]

Jos puhutaan kellon vakionopeudesta, niin omassa koordinaatistossa se on levossa mutta muiden inertiaalikoordinaatistojen suhteen se on tasaisessa liikkeessä. Vaikeampi kysymys on sitten polarisaatio, jos se on kellon omassa koordinaatistossa poikittain niin lähes c nopeudella menevän ohittajan (joka kulkee vastakkaiseen suuntaan kelloon nähden) kantilta valo menee siksakkia niin onko silloin polarisaatio kanssa kallistunut sen 45 astetta? Tai kysymystä voi laajentaa, onko koko aaltoliike kallistunut 45 astetta?

[kuunylinen]

Koordinaatistossa 1 joka etenee tasaisesti kovaa vauhtia lähes valonnopeutta valokello toimii normaalisti. Koordinaatistosta 2 jonka tasainen nopeus 1:een on eri vaikka nolla näkee 1:n valokellon toimivan aivan normaalisti paitsi fotoni pomppii hitaammin, liikkuva kello jätättää. Jos 2:ssa on myös valokello 1:n näkee sen pomppivan normaalisti mutta hitaammin, 1:n mielestä 2:n kello jätättää. Vinoutuminen tapahtuu siksi, että eri havaitsijoilla on eri koordinaatistot ja erilaiset käsitykset tilasta ja ajasta.

Kiihtyvästä liikkeestä vielä, jos valokello tuodaan maahan kyljelleen niin fotoni tippuu metrin ajassa 0.45s. Jos ihminen hyppää metrin korkeudelta samaan aikaan kuin fotoni ammutaan niin ovat maassa yhtä aikaa.

[velihopea]

(Sulattelen ajan kanssa tuota edellistä kuunylisen kommenttia mutta tässä...)
Pohdiskelen taas valokelloa, nyt uinti-esimerkin avulla. Oletetaan 50 m leveä joki, jonka vastarannoilla suoraan vastapäätä on laiturit. Uimari harjoittelee uimalla laiturilta toiselle. Eräänä päivänä patoja on suljettu ja joki ei virtaa ja uimari pääsee 50 s:ssa joen yli. Tietysti hän ui mutkittelematta laiturien välistä kuviteltua suoraa pitkin.

Seuraavana päivänä patoja avataan niin, että jokeen tulee virtaama 0,1 m/s. Uimari on samassa kunnossa ja hän pyrkii uimaan mahdollisimman suoraan toiselle laiturille, eli sitä kuviteltua viivaa pitkin.

Jotta tuo reittilinja onnistuu uimarin on jo heti alkuun suunnattava ensimmäinen potku ja liuku n. 5 m toisen laiturin ohi yläjuoksuun. Ja jokainen seuraava potku ja liuku samaan kulmaan suunnaten. Nimittäin jokaisen liun jälkeen virta sortaa uimarin takaisin laiturien väliselle keskiviivalle.

Laiturilla valmentaja kellottaa viimeisen uintiajan. Valmentaja haukkuu uimarin: "mikä nyt on kun ei kulje". Sitten hän huomaa tyyneltä näyttävässä vedessä hiljalleen alavirtaan lilluvan lastun ja saa sille mitattua nopeuden 0,1 m/s. Sitä valmentaja osaa laskea pytagoraan avulla suorakulmaisesta kolmiosta, jonka kateetit ovat 50 m ja 5 m, hypotenuusan pituuden ~50,25 m. Valmentaja leppyy ja sanoo, "ok, olihan sinulla hieman pidempi uintimatka, eli et ollutkaan taantunut, mutta et kehittynytkään".

Sitten valmentaja laittaa tehotreenauksen päälle ja uimarin uintivauhti nousee c:hen! Tyynessä vedessä tulee yhä nopein aika, virtaavassa vedessä hieman hitaampi riippuen virtauksen nopeudesta.

Kuvio saadaan muistuttamaan valokelloa, kun ajatellaankin, että rannat laitureineen kulkevat tasaisella v-vauhoilla yläjuoksun suuntaan jolloin laiturit edustavat valokellon lattian ja katon keskikohtia. Ja joen vesi olisikin paikallaan, tai itse asiassa vesi poistetaan kokonaan eli korvataan tyhjiöllä.

Koska vastarannan laituri koko ajan "pakenee" ylävirtaan v-nopeudella, uimarin täytyy suunnata uintinsa hieman siihen suuntaan, jotta hän koko ajan olisi laiturien välisellä keskiviivalla. Lintuperspektiivistä, ikäänkuin paikaltaan katsottuna uimarin reitti on hieman vino, ja uimari on koko ajan laiturien kohdalla. Tässä kohden minulla tulee mieleen aiemmin kirjoitetut pohdinnat miten ihmeessä fotoni perii emittoijansa liikevektorit...

Mutta uimari ei ole fotoni. Vaikka uimarin lähtöpistekin on sinänsä ylävirtaan liikkuva laituri, mutta sen pieni v-nopeus (esim 0,1 m/s) ei kai uimaria paljoa hetkauta vaan hän valitsee itse uintilinjansa. Mutta jos uimari ensimmäisen uintiliikkeen kohdalla katsoisi suoran suunnan vastarannan laiturille ja uisi koko loppumatkan siihen suuntaan silmät kiinni, hän osuisi vastarannalle hieman laiturista alajuoksun suuntaan. Uimari on oppinut, että uintireitti pitää suunnata hieman ylävirtaan, sen enemmän mitä isompi laiturien v-nopeus on.

Tilannetta voisi yrittää ajatella myös niin, että uimari koko ajan senkus ui silmät kohdistettuna vastarannan laituriin. Ja jotenkin "taivaan lahjana" (= on joku fysikaalinen järkeily sille) että uimari saa v-suuruisen sivuliikkeen, että hän osuu maaliin oikeaan kohtaan. Koska uimari on inhimillinen, ajatteleva, itsenäisesti päättävä toimintansa aktualisoija, minun kansanfyysikko ajattelumalliini ei mahdu tuollainen taivaan lahja. (No, eihän sellaista tässä kukaan ole ehdottamassakaan). Asia olisi toinen, jos vaikka heitetään tikkaa liikkuvassa junassa. Tikka on "tyhmää ainetta, ikäänkuin ajopuu". Se lilluu fysikaalisessa maailmassa sen mukaan miten fysiikan lait sanovat.

[mistral]

Suhteellisuus on kummallinen asia, tietyissä esimerkeissä se näkyy mutta kuitenkin jää tunne että "tässä ei ole kaikki". Hannu Kurkisuonion lause kun hän vastasi T&A:n kysymykseen joku vuosi sitten, oli jotenkin näin: "Hitaammin vanhenevalla on lyhyempi matka tulevaisuuteen." Eli toinen kaksonen matkustaa lyhyemmän matkan. Tai toinen kvartsikide matkustaa lyhyemmän matkan. Tai valo ei omasta mielestään matkusta minnekään vaan avaruus kaikkinensa tulee minun luokseni (tarkoittaa 100% kontraktiota).Kun sanoin "tässä ei ole kaikki" ajattelin erityisesti valokelloa, onko se todella vain hyvä idea kuvaamaan suhteellisuutta vai onko se peräti tarkka kuvaus suhteellisuudesta? Olisi ihmeellistä jos pelkkä kolmio joka näkyy valokellossa , sisältäisi tarkan luonnonlain suhteellisuudesta.

[kuunylinen]

Suljetun järjestelmän kaikkiin jäseniin "tarttuu" sama nopeus, valoonkin, kun vaihdetaan vastakkaisen nopeuden suhteelliseen tarkasteluun

Valon nopeus on aina c, niin miten tuo nopeuden tarttuminen selittyy?