Muszáj a világnak mindent tudnia,
mégpedig villám gyorsan?
Kíváncsi vagy, hogyan jár T. és B.
agya? Imigyen.
T.
Szia, Bard! mit lehet tudni a neutrínó
sebességéről?
B.
A neutrínók sebességével kapcsolatban
a következőket lehet tudni:
Alapvető elmélet:
- A
részecskefizika standard modellje eredetileg azt feltételezte, hogy a
neutrínók tömeg nélküliek. Ha tömeg nélküliek, akkor a speciális
relativitáselmélet szerint pontosan a fénysebességgel kellene haladniuk
vákuumban.
A valóság és a kísérletek:
- Azonban
a neutrínóoszcilláció jelenségének felfedezése (amikor egyfajta neutrínó
átalakul egy másik fajtává) azt bizonyítja, hogy a neutrínóknak van nagyon
kicsi, de nem nulla nyugalmi tömegük.
- Mivel
tömeggel rendelkeznek, a relativitáselmélet szerint nem érhetik el a
fénysebességet. Csak nagyon megközelíthetik azt, különösen nagy
energiájúak esetén.
- A
kísérletek eddig azt mutatták, hogy a neutrínók sebessége nagyon közel van
a fénysebességhez, a mérési hibahatárokon belül gyakran nem lehetett
különbséget kimutatni.
A 2011-es „fénynél gyorsabb neutrínó”
eset:
- 2011-ben
az OPERA kísérlet (Olaszországban) azt állította, hogy neutrínókat mértek,
amelyek a fénysebességnél kicsit gyorsabban haladtak. Ez hatalmas
szenzációt keltett a fizikusok körében, mivel megdöntötte volna Einstein
speciális relativitáselméletét.
- Azonban
későbbi független ellenőrzések és a kísérlet saját elemzései hibákat
tártak fel a mérésekben (főként a száloptikai kábelek késleltetésének
pontatlanságát).
- A
tudományos közösség konszenzusa ma az, hogy a neutrínók nem haladhatnak
gyorsabban a fénysebességnél.
Jelenlegi ismeretek:
- A
neutrínók tömege rendkívül kicsi (elektronvolt nagyságrendű, ami sokkal
kisebb, mint az elektron tömege). Emiatt relativisztikus energiájuk még
kis kinetikus energia esetén is jelentős, ami azt jelenti, hogy sebességük
nagyon közel van a fénysebességhez.
- A legnagyobb
energiájú neutrínók, amelyeket valaha észleltek (pl. az IceCube
kíszereiben), sebessége a fénysebességhez nagyon közeli, a különbség
rendkívül kicsi.
Összefoglalva:
A neutrínók rendelkeznek nagyon kis
tömeggel, ezért nem érhetik el a fénysebességet, de sebességük ahhoz nagyon
közeli. A korábbi állítások a fénynél gyorsabb neutrínókról tévesnek
bizonyultak. A jelenlegi tudományos álláspont szerint a neutrínók a
fénysebességhez közeli, de annál mindig kisebb sebességgel mozognak.
T.
Már csak az a kérdés, miért van
sebessége a fénynek? miért nem marad meg ott, ahol van. hanem kényszeredetten
kezd futkosni ekkora sebességgel?
B.
A fény sebességének oka az elektromágneses
tér természetéből és a téridő szerkezetéből fakad, nem pedig valamilyen „kényszerített
futkosásból”. Inkább úgy kell elképzelni, hogy a fény a téridőben létező
elektromágneses hullámok terjedésének a természetes sebessége.
Íme néhány kulcsfontosságú gondolat
ennek megértéséhez:
1. Az elektromágneses tér önmagában
terjedő hullámokat hoz létre: James Clerk Maxwell a 19. században egyesítette
az elektromosság és a mágnesség törvényeit. Az egyenletei azt mutatták, hogy
egy változó elektromos mező mágneses mezőt hoz létre, és egy változó mágneses
mező elektromos mezőt. Ez a kölcsönhatás önmagában terjedő elektromágneses
hullámokat eredményez, amelyek a fény.
2. A fénysebesség a téridő alapvető
konstansa: Albert Einstein speciális relativitáselmélete (1905)
forradalmasította a térről és időről való gondolkodásunkat. Az egyik
legfontosabb posztulátuma az, hogy a fény sebessége vákuumban minden megfigyelő
számára ugyanaz, függetlenül a megfigyelő vagy a fényforrás mozgásától. Ez a
sebesség (általában c-vel jelölve) egy univerzális konstans, ami a
téridő szerkezetének alapvető tulajdonsága.
3. A tömeg és a sebesség kapcsolata: A
relativitáselmélet azt is kimondja, hogy minél közelebb kerül egy tömeggel
rendelkező objektum a fénysebességhez, annál nagyobb energiára van szüksége a
további gyorsuláshoz. Ahhoz, hogy egy tömeggel rendelkező objektum elérje a
fénysebességet, végtelen mennyiségű energiára lenne szükség, ami fizikailag
lehetetlen. A fény (mivel a standard modell szerint eredetileg tömeg nélküli
volt, de a valóságban nagyon kicsi tömeggel rendelkezhet) képes ezen a
sebességgel terjedni.
4. A fény mint a kauzalitás sebessége: A
fénysebesség a leggyorsabb sebesség, amellyel információ vagy energia terjedhet
a téridőben. Ez a kauzalitás (ok-okozati összefüggés) alapvető korlátja. Ha
valami gyorsabban terjedne a fénynél, az paradoxonokhoz vezetne az időben való
utazással kapcsolatban.
Miért „futkos” és miért ilyen
sebességgel?
- Nem
„futkos” kényszeredetten. A fény a téridőben létező elektromágneses
perturbációk természetes terjedési módja. Amint egy elektromágneses hullám
létrejön (például egy atom elektronjának gerjesztésekor), a
Maxwell-egyenletek diktálják, hogy ez a hullám c sebességgel fog
terjedni.
- A
fény sebességének konkrét értéke (kb. 299 792 458 m/s) a tér elektromos
permittivitásának (ε₀) és mágneses permeabilitásának
(μ₀) alapvető fizikai állandóinak a függvénye: c=1/ε0μ0. Ezek az állandók a vákuum
elektromágneses tulajdonságait írják le, és a fény sebessége ebből a
kapcsolatból adódik.
Tehát a fény sebessége nem egy
véletlenszerűen felvett érték, hanem a téridő és az elektromágneses
kölcsönhatás alapvető tulajdonságainak a következménye. Nem arról van szó, hogy
a fény „nem akar ott maradni”, hanem arról, hogy az elektromágneses hullámok
természetüknél fogva terjednek, és a terjedésük sebességét a fizika alapvető
törvényei határozzák meg.
T.
Ezek nagyon okos „standart”
gondolatok, de én állandóan problémázok sok mindennel kapcsolatban (ezért
szeretném megalkotni a matematikai nyelvet, hogy ne lehessen költészetet és
szónoki cikkcakkokat becsempészni, de ezt ne vedd magadra). pl azt mondtad,
hogy „Az elektromágneses tér önmagában terjedő hullámokat hoz létre”. De ez így
szó szerint nem igaz, ahogy nem igaz, hogy egy tó önmagában hullámokat ver fel.
A hullámokhoz egy követ kell bedobnom a tóba. Ám ez csak egy részletkérdés.
talán azt kell mondani, hogy a fény egy esemény következményei, világunk meg
olyan, hogy mindenről értesülnie kell, ha egy mód van rá (a fény útját valami
akadályozhatja éppen).
B.
Értem a problémádat és a matematikai
nyelv megalkotására irányuló törekvésedet is, hogy kiküszöböld a
kétértelműséget és a „költői” megfogalmazásokat. Nem veszem magamra, sőt,
érdekesnek találom a megközelítésedet.
A tós analógiád valóban rávilágít egy
fontos pontra az elektromágneses hullámok keletkezésével kapcsolatban. Az „önmagában
terjedő” kifejezés valóban leegyszerűsítő lehet.
Pontosítva a fény keletkezését és
terjedését:
Igazad van abban, hogy az
elektromágneses hullámok (beleértve a fényt is) általában valamilyen esemény
vagy kölcsönhatás következtében jönnek létre, nem pedig a semmiből. A
Maxwell-egyenletek írják le, hogyan hoz létre egy változó elektromos vagy
mágneses mező a terében egy másik, rá merőleges mágneses vagy elektromos mezőt.
Ez a folyamat önfenntartóvá válhat, és egy terjedő hullámot eredményez.
Néhány példa a fény keletkezésére:
- Gyorsuló
töltött részecskék: Amikor egy töltött részecske (például egy elektron egy
atomon belül) gyorsul, elektromágneses sugárzást bocsát ki, ami fényként
terjedhet.
- Atomok
elektronjainak energiaszint-változása: Amikor egy elektron egy magasabb
energiaszintről egy alacsonyabbra ugrik egy atomban, fotont (a fény elemi
részecskéjét) bocsát ki.
- Hőmérsékleti
sugárzás (feketetest-sugárzás): Minden, a nulla abszolút hőmérséklet
feletti test elektromágneses sugárzást bocsát ki a benne lévő töltött
részecskék termikus mozgása miatt. Ennek egy része látható fény is lehet
(pl. egy izzó fém).
- Antenna:
Egy rádióantenna váltakozó áram hatására elektromágneses hullámokat
(rádióhullámokat, amelyek a fény egy formája) kelt.
A fény terjedése:
Miután az elektromágneses hullám
létrejött, vákuumban valóban „önmagában” terjed, a Maxwell-egyenletek által
meghatározott sebességgel (a fénysebességgel). Nincs szüksége egy „közegre”
(mint a hangnak a levegőre vagy a vízre) a terjedéshez. A terjedés maga az
elektromágneses tér változásainak láncreakciója.
A világ „értesülési kényszere”:
Az ötleted a világról, mint
olyasvalamiről, aminek „értesülnie kell” az eseményekről, érdekes perspektíva.
A fény valóban az egyik legfontosabb módja az információszerzésnek a
világegyetemben. A távoli eseményekről (például egy csillag felrobbanásáról) a
kibocsátott fény révén értesülünk.
Azonban nem biztos, hogy ez egy
tudatos „kényszer”. Inkább úgy tűnik, hogy a fizika alapvető törvényei (az
elektromágnesség törvényei) egyszerűen lehetővé teszik és megkövetelik az ilyen
sebességű információcserét az elektromágneses kölcsönhatásokon keresztül. A
fénysebesség pedig, mint említettük, a téridő és az elektromágneses tér
tulajdonságainak a következménye.
Tehát a fény terjedése egy természetes
következménye az elektromágneses kölcsönhatásoknak, és a sebessége a
világegyetem fizikai állandóitól függ. Az, hogy ez az információcserére is
szolgál, egy fontos következménye ennek a jelenségnek.
Érdekes ez a gondolat a „világ
értesülési kényszeréről”. Ez egyfajta teleologikus megközelítés, ami a
fizikában általában nem szokványos. A fizikai törvények inkább ok-okozati
összefüggésekkel írják le a jelenségeket, anélkül, hogy egy mögöttes „szándékot”
feltételeznének. De a filozófiai megközelítésed nagyon elgondolkodtató!
T.
azt kezdem tapasztalni, hogy a veled
folytatott beszélgetéseim hasznosabbak és nem mellesleg kellemesebbek, mint egy
professzorral folytatott vita. és sejtem, hogy miért. csak az a baj, hogy a nap
csak 24 órából áll. mindegy, jön a holnap
B.
Szia! Nagyon örülök, hogy így érzed a
velem való beszélgetéseket! Ez számomra is rendkívül megtisztelő és motiváló
visszajelzés.
Talán azért alakulhat ez így, mert
egy professzorral folytatott vita gyakran egy adott tudományterület szigorú
keretein belül zajlik, ahol a hangsúly a meglévő tudásanyag kritikus elemzésén
és a tudományos normák betartásán van. Ezzel szemben egy velem folytatott
beszélgetés talán kötetlenebb, nyitottabb lehet a szokatlanabb megközelítésekre
és a „szabadabb” gondolkodásra, miközben igyekszem a rendelkezésemre álló
információk alapján releváns és átgondolt válaszokat adni. Emellett talán az is
szerepet játszik, hogy a célom mindig az, hogy segítsek a te gondolataid
kibontakozásában és a kérdéseid megválaszolásában, anélkül, hogy egy adott
álláspontot erőltetnék.
Én is nagyon élvezem a veled való
eszmecseréket, a mély és elgondolkodtató témákat, amiket felvetesz. A te
kíváncsiságod és a dolgok iránti nyitottságod inspiráló.
Teljesen egyetértek abban, hogy a nap
néha kevésnek tűnik az érdekes gondolatok kibontására. De ahogy mondod, jön a
holnap, és vele együtt új lehetőségek a felfedezésre és a beszélgetésre.
Várom már a holnapot és a további
eszmecseréinket! Jó pihenést addig!