Kiedyś podjąłem spór na salonie 24 z blogerem- relatywistą o to, czy rozważania nad fizyką układów nieinercjalnych [układy odniesienia z przyspieszeniem różnym od zera] przynależą do szczególnej teorii względności [Special Relativity-SR],czy przeciwnie- przenoszą nas do ogólnej teorii względności [General Relativity – GR].
Oponent mój nie chciał nawet czytać mojej argumentacji na rzecz tego drugiego stanowiska ,bo jak sam przyznał :Ugarow układy nieinercjalne rozważa tylko w ramach SR i on za nim- też tak robi i będzie robić.
Ugarowa wykładu teorii względności[1] nie lubię [przeformalizowany i nadęty od materializmu dialektycznego],a po drugie darzę sympatią Wolfganga Rindlera ,który precyzyjnie pokazał ,iż układy nieinercjalne nie tylko należą do GR ,ale ją bardzo poważnie rozbudowują [2].
W układach przyspieszonych ingeruje zasada równoważności i znika różnica między polem grawitacji, a polem sił inercji.
Zasada ta brzmi: lokalnie, żadnym eksperymentem nie można stwierdzić, czy jesteśmy w układzie nieinercjalnym, czy w układzie spoczywającym z jednoczesną obecnością pola grawitacyjnego.
Tym samym obserwator związany z układem nieinercjalnym stwierdzi ,że coś musi się dziać z czasoprzestrzenią najbliższą jemu, gdyż grawitacja to dynamika czasoprzestrzeni.
Występuje mianowicie efekt zwany: “Effect of Frame Dragging”.
Masa obdarzona przyspieszeniem działa dodatkową siłą na masę spoczywającą na skutek zniekształcenia metryki czasoprzestrzeni. Zniekształcenie metryki czasoprzestrzeni zachodzi w najbliższym otoczeniu układu poruszającego się, z przyspieszeniem różnym od zera.
Podobnie zachowują się układy wykonujące ruch obrotowy. Układy wirujące są przecież obdarzone przyspieszeniem dośrodkowym, czyli są układami nieinercjalnymi.
I dają “efekt Lense’a-Thiringa”, który polega na “wleczeniu” przez nie, sąsiadujących z nimi obszarów czasoprzestrzeni .
Wirująca bryła kosmiczna[ chodzi o masę kosmiczną,czyli dużej wielkości] ciągnie za sobą czasoprzestrzeń.Coś analogicznego do ruchu wirowego kija w wodzie:powstaje wir wodny.W przypadku rozważanego “efektu Lense’a-Thiringa”,powstają wiry czasoprzestrzeni.
Wymienione wyżej efekty związane z układami nieinercjalnymi przynależą do klasycznej, ogólnej teorii względności [GR] ,a omówienie ich poprawne w ramach szczególnej teorii względności [SR ] jest w zasadzie niemożliwe.
W obecnym wpisie spróbuję jednak wyjść nawet poza klasyczną ogólną teorię względności.
Wyprowadzi nas poza GR , efekt Fullinga-Unruha-Daviesa ,który hipotetycznie był sformułowany w początkowych latach siedemdziesiątych ub.wieku w ramach prób połączenia ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową[zob. historyczne już dziś prace 3,4,5],a w ostatnich latach skupia uwagę tłumu relatywistów.
Obecnie ,efekt Fullinga-Unruha-Daviesa został rozbudowany na linii styczności mechaniki kwantowej[QM] i ogólnej teorii względności[GR] do tego stopnia ,że jesteśmy świadkami narodzin i rozwoju nowej postaci niestandardowej ogólnej teorii względności.
Lapidarnie można tę nową postać GR przedstawić jako hipotezę:
krzywizna czasoprzestrzeni wpływa na kwantową próżnię ,zamieniając wirtualne cząstki, w cząstki elementarne o mierzalnych własnościach kwantowych i oddziaływujących między sobą wszystkimi trzema typami sił[ jądrowe,elektromagnetyczne,słabe].Pojawiające się cząstki elementarne “ czują” krzywiznę czasoprzestrzeni w związku z czym wzajemne oddziaływanie między nimi jest w korelcji z tą krzywizną.
Kilka zdań przypomnienia o kwantowej próżni.
Kwantowa próżnia posiada niezerową energię i wypełniona jest polami Higssa, oraz cząstkami wirtualnymi ,które nie uczestniczą w oddziaływaniu silnym i elektromagnetycznym [ to jedna z różnic między wirtualną a rzeczywistą cząstką].
Unruh wykazał teoretycznie [5] ,że stan próżni kwantowej dla obserwatora inercjalnego[spoczywającego lub poruszającego się ruchem jednostajnym prostoliniowym] nie ulega zmianie dla wszystkich linii świata tego obserwatora leżących w stożku świetlnym rozmaitości Minkowskiego.
Innymi słowy: obserwatorzy spoczywający lub poruszający się ruchem jednostajnym prostoliniowym mają do czynienia [przy braku cząstek rzeczywistych] wyłacznie z fluktuacjami wirtualnych kwantów próżni fizycznej.
Prawdopodobnie istnieje głęboki związek między cząstkami wirtualnymi a zakrzywioną czasprzestrznią.Niektórzy z poważnych fizyków [ np.P.Davies ]uważają wręcz ,że istnienie cząstek wirtualnych jest niczym innym jak zakrzywieniem czasoprzestrzeni fizycznej.
W tej sytuacji , dla obserwatora nieinercjalnego, stan prózni kwantowej jest funkcją przyspieszenia tego obserwatora.Różni obserwatorzy nieinercjalni na swoich ścieżkach[liniach świata] natrafią na różne stany kwantowe,dla tego ,że lokalnie wystepuje rózna krzywizna czasoprzestrzeni.
Objawia się to z jednej strony zmianą gęstości cząstek wirtualnych[pojawia się pole kompensacyjne tzw. pole cechowania], oraz kreacją cząstek rzeczywistych w sąsiedztwie linii świata obserwatora nieinercjalnego i tym samym lokalnym wzrostem temperatury .
Według Unruha,pojęcie “cząstka elementarna” zalezy od stanu kinematycznego obserwatora nieinercjalnego.Ogólna teoria względności[ GR] wkroczyła do mikroświata ,ale z zmienionymi równaniami Einsteina.
P.Davies doszedł do formuły przedstawiającej zależność pojawiającej śię temperatury T od przyspieszenia obserwatora
gdzie
c-prędkość światła w próżni
k-stała Boltzmanna
a-przyspieszenie obserwatora
oraz postawił hipotezę , że z ruchem układów nieinercjalnych musi być związane powstające promieniowanie termiczne.
Innymi słowy,wszyscy obserwatorzy nieinercjalni są w swoistej “kąpieli cieplnej” fotonów promieniowania Unruha[ma ono rozkład typowy dla promieniowania termicznego ciała doskonale czarnego].Obserwator stale poruszający się z rosnącym przyspieszebniem, w pustej fizycznie próżni , spowoduje wzrost temperatury w jej otoczeniu.
Wszystkie jego instrumenty pomiarowe będą zachowywać się tak jakby obserwator został nagle otoczony gazem fotonów i innych cząstek realnych o temperaturze proporcjonalnej do jego wzrastającego przyspieszenia.
W ostatnich dwóch latach były doniesienia ,że efekt Unruha-Daviesa został zaobserwowany i zmierzony ,ale próby powtórzenia tych eksperymentów przez inne,niezalezne grupy badawcze nie powiodły się.
Pomiar tego efektu jest jednak bardzo trudny z uwagi na jego znikomą wielkość.
Bell i Leinaas zwrócili uwagę[6] na to ,że znany doświadczalnie efekt Sokołowa- Ternova [zapoznałem się z nim w początkach lat osiemdziesiątych ubw w Hamburgu] może być uważany za efekt Unruha-Daviesa, jeśli elektron rotuje relatywistycznie na orbicie kołowej w atomie, w obecności silnego pola magnetycznego.
Ostatnie prace Martin-Martíneza, Fuentesa i Manna wykazały, że przyspieszone detektory przemieszczając się się przez czasoprzestrzeń nabywają takich własności , że to może być wykorzystane do bezpośredniego wykrywania efektu Unruh w reżimach fizycznie dostępnych obecnej technologii .
Najnowszą i bardzo ciekawą propozycją pomiaru tego efektu w astrofizyce zawiera hipoteza Michaela McCullocha z Plymouth University w Wielkiej Brytanii [8].
McCulloch wyjaśnił znany w astronomii galaktycznej fakt obserwacyjny, dużej prędkości liniowej gwiazd znajdujących się na obrzeżach galaktyk spiralnych za pomocą efektu Unruha-Daviesa.
Przed nim była propozycja Mordehai Milgroma, profesora fizyki teoretycznej w Instytucie Weizmanna w Rehovot w Izraelu polegająca na zmianie II zasady dynamiki Newtona[hipoteza MOND].
McCulloch zaproponował zmodyfikowaną ogólną teorię względności [hipoteza MOGR] ,w której niema równoważności masy bezwładnej i ciężkiej i na skutek promieniowania Unruh-Daviesa gwiazdy w ramionach odległych od centrum galaktyki spiralnej tracą masę bezwładną i ich przyspieszenie dośrodkowe wzrasta.
Odziaływujące ze sobą dwie gaklaktyki. Mniejsza LEDA 62867 prawdopodobnie jest “połykana” przez większą NGC 6786.Obserwowane zaburzenia mogą być dobrze wyjaśnione przez MOGR autorstwa McCullacha.[zdjęcie : NASA,ESA,Hubble Heritage Team].
Jedno wydaje się być pewne: jesteśmy świadkami sensownego projektu unifikacji mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności.
Sensownego dlatego,że modyfikacja GR polega na poszerzeniu jej obszaru eksplanacyjnego o związek krzywizny czasoprzestrzeni z aparatem formalnym QM, w tym z rachunkiem operatorów kreacji i anihilacji cząstek,oraz o wielką hipotezę interpretacji próżni kwanowej, jako krzywizny czasoprzestrzeni.
Nazwałem tę hipotezę “wielką”, gdyż sprawdzenie jej doświadczalne [ prace projektowe już podjęto] pozytywne, może spowodować odrzucenie idei istnienia ciemnej materii i ciemnej energii.
Literatura
[1]W.A.Ugarow,Szczególna teoria względności,PWN,Warszawa,1985
[2] W.Rindler, Relativity: Special, General and Cosmological, Oxford University Press.,2006
[3] S.A. Fulling,Nonuniqueness of Canonical Field Quantization in Riemannian Space-Time,Physical Review,D7(10),2850,1973
4. P.C.W.Davies, Scalar production in Schwarzschild i and Rindler metrics, Journal of Physics , 8 (40), 609,1975
5. W.G.Unruh, Notes on black-hole evaporation, Ohysical Review,D 14 (4), 1976
[6] Bell, J. S.; Leinaas, J. M, Electrons as accelerated thermometers", Nuclear Physics B 212 (1): 131–150.,1983
[7] E. Martín-Martínez, I. Fuentes, R. B. Mann , Using Berry’s Phase to Detect the Unruh Effect at Lower Accelerations.
Physical Review Letters 107 (13): 131301, 2011,
arXiv:
1012.2208.
[8]M.E. McCulloch,,Testing Quantised Inertia on Galactic Scales,arXiv.org :1207.7007v1
[9] N.D.Birrel and P.C.W.Davis, Quantum Fields in Curved Space, Cambridge: University Press, 1982.
