Jak wygląda fizyka od kuchni? Niemniej ciekawie niż fizyka od strony salonu. Od strony salonu widzi się jej sukcesy, ale nie widzi się ludzi i tego jakim kosztem te sukcesy są okupywane. A do kosztów należą niewątpliwie nieczyste sumienia fizyków, którzy kochają i wierzą w ich piękne i trudne jak diabli teorie, ale tu i ówdzie muszą naciągać, by tę swoją ślicznotkę-fizykę sprzedać publiczności. Od czasu do czasu się sami na tych swoich małych oszustwach przejadą, gdy, pokazując jak to u nich czysto, zamiotą pod dywan jakieś fakty, które okażą się potem niezbędne dla prawdziwego zrozumienia tego co się dzieje w świecie, dla wyjścia z kryzysu.
Czy mamy rzeczywiście do czynienia z kryzysem w fizyce? Różnie można na to pytanie odpowiadać, podobnie jak to jest z kryzysem w gospodarce czy w finansach. Ludzie dowiadują się o kryzysie w gospodarce gdy tracą pracę, gdy maleje ich siła nabywcza. Dowiadują się też o kryzysie gdy media zaczynają kryzys nagłaśniać i to z określonym celem przed ludźmi ukrywanym.
„Fizyka współczesna opiera się na dwóch paradygmatach i jednym micie: teorii względności, teorii kwantowej i micie Einsteina”. Podczas gdy szczególna teoria względności i mechanika kwantowa poparte są wielką liczbą faktów eksperymentalnych, nie można tego samego powiedzieć o ogólnej teorii względności. Ale to własnie ogólna teoria względności i grawitacji stworzyły mit Einsteina i stało się to poprzez fascynację geometrią nieeuklidesową, którą Albert Einstein zaadoptował od swego ziomka Bernharda Riemanna.
To właśnie niepowodzenie skwantowania teorii pola grawitacyjnego Einsteina sformułowanej w zakrzywionej czasoprzestrzeni Riemanna doprowadziło do głębokiego kryzysu we współczesnej fizyce, nie mniej głębokiego od tego na początku XX-go wieku a rozwiązanego przez szczególną teorię względności i mechanikę kwantową.
By przełamać obecny kryzys kilku czołowych fizyków teoretyków zaplątało się w gąszcz spekulacji z którego jak się wydaje nie ma wyjścia: hipotetyczne istnienie wielowymiarowych przestrzeni, dotąd zarezerwowanych przez spirytystów jako siedlisko duchów zmarłych, bez jakiegokolwiek oparcia o fakty fizyczne, gdy wszystkie laboratoria są trójwymiarowe.
...
W moim wykładzie przedstawię przekonujące powody dla których szczególna teoria względności, a także teoria ogólna, nie mogą stanowić prawdy ostatecznej opisującej świat fizyczny, I to samo trzeba powiedzieć o mechanice kwantowej, z jej dziwnymi, rozciągającymi się na ponad 10 metrów, nadświetlnymi kwantowymi korelacjami.”
Ze stanowiskiem Winterberga (a także z jego propozycjami wyjścia z kryzysu, o czym tu pisać nie będę) można się zgadzać lub nie zgadzać, w całości lub tylko w detalach. Faktem jednak jest, że jego stanowisko odnośnie kryzysu w fizyce nie jest odosobnione. Chcielibyśmy mieć fizykę lepszą od tej aktualnej, ale orzech do zgryzienia jest ciężki. Cięższy niż to sobie optymiści przedstawiali.
Co jest kością niezgody w teoriach fizycznych? Czy można wskazać ten główny element powodujący, że teoria względności i teoria kwantowa gryzą się, nie chcą się pogodzić? Elementem tym jest czas, który inaczej jest traktowany w obu teoriach. W teorii względności został związany z przestrzenią w czasoprzestrzenne kontinuum, podczas gdy w teorii kwantowej czas i przestrzeń spełniają różne role a próby przypisania im równych praw prowadzą do katastrof, których trzeba unikać przy pomocy trików pozostawiających plamy na sumieniach prestidigitatorów.
Co to jest czas? Jest to pytanie trudne tak dla filozofa jak i dla fizyka. Pytanie jest jednak ważne i od czegoś trzeba zacząć. Zacznijmy od tego jak mierzymy czas? Mierzymy czas zegarami. Chcielibyśmy jednak by zegary te były dobre, by można było na nich polegać. Do pewnego czasu najlepsze wydawały się chronometry made in Switzerland. Nasze wymagania zwiększały się jednak a metody pomiaru polepszały i doszliśmy dziś do cezowych zegarów atomowych. W Wikipedii znajdujemy stwierdzenie, że „Dokładność takich zegarów dochodzi do 10-15, co oznacza 10-10 sekundy (1/10 nanosekundy) na dzień. Zegary te utrzymują ciągły i stabilny czas”.
Mając tak dokładne zegary można pokusić się o potwierdzenie lub obalenie przewidywań opartych na teorii względności a dotyczących biegu czasu latających zegarów. Aby to zrobić trzeba najpierw połączyć elementy pojęciowe występujące w teorii z procedurami co do których ani fizyk ani inżynier nie będą mieli wątpliwości. Podstawowym pojęciem jest tu pojęcie układu inercjalnego. Doświadczenie wskazuje na to to, że takich układów wokół nas nie ma, są jednak układy wyglądające na „prawie inercjalne” gdy idzie o dany typ zjawisk. Układem takim może być na przykład układ związany ze Słońcem i z „gwiazdami stałymi”. Układ z centrum w środku Ziemi i z osiami skierowanymi ku danym gwiazdom jest nieco gorszy a to dlatego, że Ziemia w ciągu roku obiega Słońce. Jeśli jednak nasze doświadczenie ma trwać dni a nie miesiące – można związać nasz układ ze środkiem Ziemi. Poprawki ze względu na ruch Ziemi wokół Słońca będą nieistotne. Tak pomyśleli i tak zrobili. W roku 1972 w „Science”, ukazały się dwie publikacje: „Around-the-World Atomic Clocks: Predicted Relativistic Time Gains” oraz „Around-the-World Atomic Clocks: Observed Relativistic Time Gains”. Autorami byli J.C. Hafele z Washington University i Richard E. Keating z Time Service Division, U.S. Naval Observatory w Waszygtonie. W publikacji pierwszej wyprowadzano przewidywane efekty, w publikacji drugiej porównano z wynikami. A na czym polegało doświadczenie? Wzięto cztery atomowe zegary, każdy miał swój numer seryjny. Podaję je dla numerologów: 120, 361, 408, 447. Wsadzono je na samolot i posłano na Wschód. Następnie wsadzono w ten sam samolot i posłano na Zachód.
Po powrocie porównywano ich wskazania z zegarami na ziemi. Czego się spodziewano? Spodziewano się, zgodnie z przewidywaniami teorii, że każdy z czterech zegarów wykaże niemal tę samą różnicę w porównaniu z zegarami na ziemi. Zegary poruszające się na Wschód będą mniej inercjalne niż zegary na Ziemi (bo ich prędkość będzie dodawać się do prędkości ruchu obrotowego Ziemi), zatem powinny wrócić młodsze od zegarów na Ziemi. Na odwrót dla zegarów lecących na Zachód. Tak przewiduje teoria względności. A jak to było w rzeczywistości? H&K nie opublikowali surowych danych. Podali jedynie dane obrobione statystycznie. Jednak później udostępnili surowe dane dociekliwym, możemy się więc tym danym przyjrzeć i w ten sposób zajrzeć do kuchni fizyki.
Teoria przewidywała, że zegary lecące na Wschód winny przybyć młodsze o 40ns (-40ns) – ns to skrót dla nanosekundy - zaś zegary lecące na Zachód winny wrócić starsze o 275ns (+275ns). Sprawa nie była łatwa, bowiem każdy z atomowych zegarów dryfował i to nierównomiernie, nawet kiedy były na Ziemi. Trzeba było jakoś nierównomierność ich chodu uwzględnić.
Lot na Wschód: (według teorii winno być - 40ns):
Zegar 120:- 196ns
Zegar 361:- 54ns
Zegar 408:+ 166ns
Zegar 447:- 97ns
Lot na Zachód (według teorii winno być + 275ns)
Zegar 120: +413ns
Zegar 361:- 44ns
Zegar 408:+ 101ns
Zegar 447:+ 266ns
Katastrofa! W pierwszym opublikowanym Raporcie ze swego eksperymentu Hafele pisał:
„Większość ludzi (włączając w to mnie samego) będzie nieskłonna do uznania, że czas zyskany przez każdy z tych zegarów na cokolwiek wskazuje. .... Rozbieżność pomiędzy teorią a doświadczeniem jest niepokojąca.”
Czegoś takiego nie można było opublikować. Zabrali się więc nasi uczeni do znalezienia odpowiedniej metody uwzględnienia nierównomierności chodu zegarów i uśredniania – tak, żeby wyszło co wyjść miało. I wyszło. Ukazał się artykuł w Science, gdzie szczegółów poprawek nie podano i artykuł ten jest odtąd cytowany jako pierwsze doświadczenie potwierdzające bezpośrednio relatywistyczne poprawki dla biegu czasu.
I tak zajrzeliśmy do kuchni fizyki. W kuchni upieczono chleb i wyszedł zakalec. Cóż i tak bywa. Nie oznacza to jednak, że chleba upiec się nie da. Potrzebny doświadczony kucharz (lub kucharka) i właściwa procedura oraz ... łut szczęścia.
