1. Pavol Dančanin: Hypotéza zjednotenia (HZ)

Predslov – fyzik Vladimír Balek

V práci Hypotéza zjednotenia (HZ) autor  chce opísať gravitačné pôsobenie novým spôsobom, inak ako sa opisuje vo všeobecnej teórii relativity (VTR). Netvrdí, že sa VTR nezhoduje s pozorovaniami – to je správne, pretože sa zhoduje –, ale domnieva sa, že nie je dostatočne „zjednotená“, pretože neposkytuje jednotný opis gravitačného pôsobenia a šírenia sa svetla. Takto všeobecne povedané, je to pravda. Už Einstein sa pokúšal o zjednotenie VTR s klasickou elektrodynamikou, ktorá opisuje svetlo ako elektromagnetické vlnenie, a v súčasnosti sa považuje za najväčší otvorený problém fyziky zjednotenie VTR s kvantovou mechanikou, do ktorej patrí opis svetla ako prúdu fotónov. Mnohí si myslia, že toto zjednotenie by malo byť založené na nejakom novom fyzikálnom princípe, rovnako jednoduchom a názornom, ako je princíp ekvivalencie vo VTR. Teórii strún, ktorá je v súčasnosti najvážnejším kandidátom na jednotnú teóriu všetkých interakcií, taký princíp chýba.

Pavol Dančanin – abstrakt

V HZ navrhujem takýto fyzikálny princíp. Je to princíp ekvivalencie gravitačnej a relativistickej zotrvačnej sily. Tento princíp demonštruje myšlienkový experiment:

Povedzme, že máme raketu s neobmedzene výkonnými motormi, ktorú dokážeme dodávaním energie udržať na horizonte udalostí čiernej diery – raketa má zapnuté motory. Raketa tu zotrváva zarovno so svetelnou vlnou, ktorá odtiaľto nemôže uniknúť. Na pozorovateľa v rakete pôsobí gravitačná sila na horizonte udalostí čiernej diery.

Keďže gravitačné pôsobenie je univerzálne (rovnako ovplyvňuje všetky procesy), situácia sa nezmení, ani keď si odmyslíme čiernu dieru: raketa so zapnutými motormi ďalej zotrváva zarovno so svetelnou vlnou, avšak pohybuje sa pri tom rýchlosťou c v otvorenom priestore. Na pozorovateľa v rakete ďalej pôsobí rovnaká sila, ale pretože čiernej diery tu niet, nie je to gravitačná sila, ale teraz je to, nazvime ju „relativistická zotrvačná“ sila pôsobiaca pri rýchlosti c. Týmto pomenovaním chcem túto silu pôsobiacu pri stálej rýchlosti c odlíšiť od klasickej zotrvačnej sily pôsobiacej na telesá pri zrýchlení.

Platí vzťah: gravitačná sila na horizonte udalostí je ekvivalentná relativistickej zotrvačnej sile pôsobiacej pri rýchlosti c.

Vyplýva z toho zjednotenie princípu gravitácie a elektromagnetizmu: gravitačná sila pôsobiaca na horizonte udalostí čiernej diery je vlastne relativistická zotrvačná sila pôsobiaca v sústave pohybujúcej sa rýchlosťou c. Je to úplne jednoduché: sila, ktorá by pôsobila na teleso na horizonte udalostí, pôsobila by naň aj pri rýchlosti c mimo gravitačného poľa a naopak.

Čo je vlastne tá relativistická zotrvačná sila, ktorú pri zotrvačnom pohybe, pri nižších rýchlostiach ako c, nemôžeme zaznamenať? HZ predpokladá, že táto sila pri rýchlosti c naozaj pôsobí. Tým sa rýchlosť c líši od nižších rýchlostí. Jednoducho povedané, podľa HZ sa teleso zarovno so svetelnou vlnou nemôže pohybovať zotrvačne. To je základná téza, na ktorej stojí HZ. 

Klasická mechanika aj špeciálna teória relativity (ŠTR) vyúsťuje do paradoxu. Podľa ŠTR, keby kozmonaut letel rovnomernou rýchlosťou c, držal by svetelnú vlnu v ruke. Lenže sústava pohybujúca sa rovnomerne priamočiaro rýchlosťou c, je podľa klasickej mechaniky aj ŠTR zotrvačná, teda beztiažová  a v nej sa svetlo šíri tak, ako v pokojovej sústave, rýchlosťou c. V tom spočíva logický paradox: buď svetelnú vlnu kozmonaut drží v ruke, alebo sa vzhľadom naňho pohybuje rýchlosťou c, ako v pokojovej sústave. Riešením tohto paradoxu je môj myšlienkový experiment: sústava spojená so svetelnou vlnou nie je zotrvačná, ale je ekvivalentná sústave zotrvávajúcej na horizonte udalostí čiernej diery. Vtedy kozmonaut drží svetelnú vlnu v ruke. Z toho vyplýva zjednotené vysvetlenie princípu gravitácie a pohybového zákona šírenia sa svetla. V sústave spojenej so svetelnou vlnou, v obidvoch prípadoch: na horizonte udalostí čiernej diery aj pri rýchlosti c mimo gravitačného poľa, pôsobí rovnaká relativistická zotrvačná alias gravitačná sila. 

Čo sa týka experimentálneho overenia HZ, to je problém: v súčasnosti nemáme prostriedky, ako ju overiť. Je to čisto teoretická koncepcia. Ide v nej o princíp, či je pohyb fotónu zotrvačný alebo nie.

Jadrom HZ je analógia medzi elektromagnetickou a gravitačnou energiou: elektromagnetická energia fotónu versus gravitačná energia čiernej diery. Tieto energie sú opačne orientované a na horizonte udalostí sa vyrovnávajú. Fotón sa udržuje na horizonte udalostí svojou elektromagnetickou energiou. Touto energiou sa udržiava pri rýchlosti c aj mimo gravitačného poľa čiernej diery, čo znamená, že pohyb fotónu nie je zotrvačný!

Na základe toho, v článku Hlavolam navrhujem mechanizmus, ako vysvetliť princíp konštantnej rýchlosti svetla.

Elektromagnetická energia fotónu je, tak ako gravitačná energia hmoty, niečo iné ako kinetická energia zotrvačne sa pohybujúceho telesa. Na rozdiel od telesa, ktoré si udržuje konštantnú rýchlosť kinetickou energiou, fotón sa udržuje pri konštantne rýchlosti c vo všetkých inerciálnych sústavách svojou elektromagnetickou energiou, analogickou ako je gravitačná energia hmoty.

Celé to vysvetlím na príklade. Recenzent fyzik Vladimír Balek prirovnáva fotón ku guľôčke, kotúľajúcej sa po hladkom vodorovnom stole, zachovávajúcej si konštantnú rýchlosť zotrvačnosťou – kinetickou energiou. Je to jednoduché a názorné, vystihuje to jeho pohľad na problém. V čom je podľa HZ rozdiel? Môže si guľôčka, kotúľajúca sa po stole, zachovať zotrvačnosťou (kinetickou energiou) rovnakú rýchlosť v každej inerciálnej sústave, t. j. vzhľadom na stojacu guľôčku aj guľôčku kotúľajúcu sa oproti? Nemôže! To platí aj pre fotón. Platí mechanizmus opísaný v článku Hlavolam: Fotón má vzhľadom na co-moving sústavu (t.j. spolupohybujúcu sa inerciálnu sústavu – pozri článok Hlavolam) väčšie zrýchlenie ako vzhľadom na pokojovú sústavu. Týmto spôsobom si svetlo zachováva rovnomernú rýchlosť c vo všetkých inerciálnych sústavách. Rovnako sa guľôčka, kotúľajúca sa po stole, neudrží  zotrvačnosťou (kinetickou energiou) na horizonte udalostí čiernej diery. To isté platí pre fotón. Fotón má hybnosť, má teda aj hmotnosť, tak ako teleso, gravitácia pôsobí aj naň. Ale na rozdiel od telesa, nemá kinetickú energiu, ale má elektromagnetickú energiu, ktorá je opačná ako gravitačná energia. Fotón sa udržiava na horizonte udalostí svojou elektromagnetickou energiou, tou istou energiou nadobúda rýchlosť c pri emitácii a tou istou energiou si zachováva konštantnú rýchlosť c vo všetkých inerciálnych sústavách.