Przedmowa
1. Rozkład sił w przestrzeni 4-wymiarowej
2. Materia i antymateria
3. Fala czterowymiarowa
Posłowie (oraz linki fizyczne)

Przedmowa

Proszę nie traktować zaprezentowanych tu teorii zbyt poważnie. Są to tylko pomysły, których miałem zamiar użyć w opowiadaniach SF (science-fiction). Spisane dla uporządkowania myśli. Moją specjalnością jest historia i ekonomia, jeśli chodzi o inne dziedziny jestem laikiem. Stąd też nieprofesjonalny język - "teorie" te są niczym więcej niż notatkami do opowiadań SF.

Celem ich jest po prostu pokazanie, że przy odrobinie wyobraźni (popartej jednak wiedzą) można bez trudu zbudować modele, które będą tłumaczyć paradoksy współczesnej fizyki niewiele gorzej niż obecnie stosowane teorie: Teoria Superstrun, czy Teoria Pól Higgsa. (Polecam też teorię Everetta-Wheelera) Budowanie takich alternatywnych modeli w wyobraźni ma tę niewątpliwą zaletę, że pozwala zaoszczędzić sporo pieniędzy na kosztownych eksperymentach. Nawet jeśli wymyślone teorie alternatywne są niepoprawne, to rozmyślając nad nimi mamy szansę lepiej zrozumieć problemy współczesnej fizyki i to - jak wspomniałem - śmiesznie małym kosztem.

Muszę się tu przyznać bez bicia, że nie lubię współczesnych teorii fizycznych (Teorii Superstrun, czy Teorii Pól Higgsa). Mają bowiem tę wadę, że tworzą wiele abstrakcyjnych bytów tylko po to, by uzyskać matematycznie poprawny wynik - nie dbając o to, by udowodnić eksperymentalnie ich istnienie. Jednym słowem są taką współczesną odmianą ptolemejskiej koncepcji  Kryształowych Sfer (z epicyklami i innymi tego rodzaju sztucznymi bytami), których astronomowie przed Kopernikiem używali do opisu ruchu planet - zbyt skomplikowanym, barokowy modelem, którego poszczególe elementy są w dodatku sprzeczene ze sobą nawzajem lub z wręcz z powszechnie uznanymi zasadami fizyki. Fizycy tworzący takie modele często zapominają, że każdy nowy byt fizyczny wprowadzany do teorii trzeba udowodnić eksperymentalnie. 

Tak więc jeśli wprowadzamy przestrzeń dziewięciowymiarową, dziesięciowymiarową lub jedenastowymiarową, to należy z osobna udowodnić eksperymentalnie istnienie każdego wymiaru powyżej czwartego. Elegancja matematyczna teorii nie jest żadnym usprawiedliwieniem - ptolemejski model kryształowych sfer też był początkowo (tzn. do czasu sformułowania praw ruchu planet przez Keplera) znacznie bardziej poprawny matematycznie niż Teoria Kopernika. Odpowiednio żąglujac liczbami i wzorami  można bowiem stworzyć na papierze nieskończenie wiele matematycznych modeli, które będa pasować do wyników obserwacji.

Inną słabością obu współczesnych Teorii (Superstrun i Pól Higgsa) jest też dopasowywanie modelu do obserwacji uzyskanych z eksperymentów - tzn. tak naprawdę mamy wiele Teorii Superstrun, w zależności od tego, jakie wyniki eksperymentalne otrzymaliśmy. Postępowanie takie woła o pomstę do nieba, bowiem w ten sposób pozbawiamy eksperyment naukowy jego podstawowej funkcji: nie można już z jego pomocą obalać hipotez, bo hipotezy poprawiane są tak, aby pasować do otrzymanych wyników. Podobny zabieg stosowano w Ptolemejskim modelu ruchu planet, dodając kolejne cykle modyfikujące zasady ruchu planet, by model pasował do obserwacji.

Na koniec jeszcze półżartem Bibliografia:
Jeśli chcesz dopiero zaczynasz zgłębiać fizykę polecam na początek:

• Krótką Historię Czasu, Hawkinga - prosty wykład, elegancko zaznajamiający z Teorią Względności.
• Siedem teorii, które wstrząsnęły światem, Nathan Spielberg, Bryon D. Anderson - przegląd historii fizyki od Kopernika po Elektrodynamikę Kwantową. Pokazuje w jaki sposób w przeszłości fizycy rozwiązywali różne problemy, na jakie paradoksy się natykali, w jaki sposób przeprowadzali eksperymenty, by sprawdzić swoje teorie. Studiowanie historii nauki jest zawsze pożyteczne. Raz, że pewne problemy przewijają się czasem w nauce przez stulecia (np. problem czy światło jest cząstką, czy falą gryzie fizyków od czasów Newtona, czyli circa 300 lat). Po drugie warto się przyjrzeć uważnie, w jaki sposób przeprowadzane są eksperymenty, bo bardzo często diabeł tkwi w szczegółach - na przykład w błędnej interpretacji wyników eksperymentu.



Dobrym przykładem jest „paradoks” z kotem Schrodingera. Tak naprawdę w tym eksperymencie obserwacji rozpadu atomu nie dokonuje człowiek, otwierający pudełko z żywym-martwym kotem, a automatyczny mechanizm, w momencie, gdy przekłada rozpad pojedynczego atomu na miliardy (jeśli nie więcej) atomów wchodzących w skład trucizny, która ma zabić kota. Nie ma więc paradoksu - zjawiska kwantowe na poziomie atomów nie powodują zjawisk kwantowych na poziomie wielkich obiektów takich jak kot.



• Cykl o Świecie Dysku, Terry’ego Pratcheta - uczy bowiem podstawowej rzeczy niezbędnej w fizyce: umiejętności śmiania się z paradoksów i konstruowania własnych. Jeśli śmieszą cię kawały o Kwestorze podlegającym zasadzie nieoznaczoności lub o prędkości światła niewiele większej od prędkości strzały, to masz zadatki na dobrego fizyka. Następnym etapem są książki Jacka Cohena i Iana Stewarta (pary uczonych, znajomych Pratchetta, dzięki którym właśnie po części jego książki są takie, jakie są), które wprowadzają czytelnika już bardziej na poważnie w paradoksy współczesnej fizyki, biologii i generalnie wiedy. Polecam zacząć oczywiście od Nauki świata dysku.
  
• Feynmana wykłady z fizyki, Richard P. Feynman. Najlepsze chyba kompendium wiedzy fizycznej dla studentów.
  
• Oraz oczywiście warto być na bieżąco z różnymi niewyjaśnionymi problemami nurtującymi naukowców, bowiem takie "dziury w teorii" i paradoksy są najlepszym miejscem do rozpoczęcia poszukiwań prawidłowego rozwiązania.
• Nie znam niestety dobrego przeglądu podstaw Mechaniki Kwantowej, a szkoda. Dla zupełnych zółdodziobów dobrym punktem startu (jeśli uda wam się ją znaleźć) może być ksiażka Banesha Hoffmana Niezwykła Historia kwantów. Przeładowana metaforami kosztem informacji, niemniej dość obrazowa.
  

---

TEORIE FIZYCZNE

1.    Dylatacja czasu, wzrost masy rozpędzanego obiektu i wykładniczy wzrost ilości energii niezbędnej do rozpędzania obiektu wraz ze wzrostem prędkości nie są konsekwencją prędkości obiektu, ale efektem działania siły działania zaginającej przestrzeń dookoła obiektu, pojawiającej się podczas rozpędzania (przyśpieszania) jakiegokolwiek obiektu posiadającego masę (więc własną studnię grawitacyjną).

Przesłanki:
-    Kłopot z Paradoksem bllliźniąt, który można streścić następująco (uwaga, to nie jest moje spostrzeżenie): Jak pamiętamy paradoks bliźniąt mówi o tym, że jeśli mamy dwóch braci, z których jeden zostanie wysłany w kosmos z prędkością zbliżoną do prędkości światła, a drugi zostanie na Ziemi, to po powrocie, ten pierwszy w skutek dylatacji czasu będzie znacznie młodszy. Niemniej skoro jedno z podstawowych założeń teorii względności mówi, że nie ma absolutnych punktów odniesienia i każdy ruch jest względny, tj. jeśli rakieta kosmiczna porusza się z prędkością zbliżoną do prędkości światła względem „nieruchomej” Ziemi to jednocześnie Ziemia porusza się z prędkością zbliżoną do prędkości światła względem „nieruchomej” rakiety (to kwestia tylko tego, który z dwu punktów odniesienia przyjmiemy). Jeśli tak, to nie ma żadnego uzasadnienia, dlaczego to brat poruszający się w rakiecie miałby starzeć się wolniej niż brat na Ziemi, a nie na odwrót. Wniosek: albo nie jest prawdziwe założenie o braku absolutnego punktu odniesienia (nie ma jednak przesłanek, by je podważyć), albo efekt dylatacji czasu nie jest wynikiem dużej prędkości rakiety ale energii włożonej w jej rozpędzanie, która przekłada się na wzrost masy rakiety.
-    Na dnie studni grawitaacyjnej czas płynie wolniej niż, na zewnątrz. Na orbicie okołoziemskiej zegary chodzą szybciej niż na powierzchni Ziemi, co oznacza, że na górze studni grawitacyjnej procesy entropiczne muszą zachodzić szybciej niż na jej dnie (np. na orbicie okołoziemskiej ludzie i materiały będą starzeć się minimalnie szybciej)

Jądro hipotezy: Siła przykładana do obiektu w celu jego rozpędzenia, jest styczna do powierzchni przestrzeni trójwymiarowej, ale w wyniku zakrzywienia przestrzeni spowodowanego masą własną obiektu, nie jest równoległa do płaszczyzny całej przestrzeni trójwymiarowej jako takiej. W efekcie część siły skierowana zostaje pod pewnym kątem do płaszczyzny przestrzeni trójwymiarowej, niejako „w głąb” czwartego wymiaru, w efekcie tylko część włożonej energii idzie rzeczywiście na rozpędzenie ciała, podczas gdy reszta jest „marnotrawiona” zwiększając jego masę. Dokładniej ilustruje to rysunek 1.1, na którym przedstawiony jest przekrój przez zakrzywioną przestrzeń trójwymiarową (gruba linia) zawieszoną w przestrzeni czterowymiarowej (dla uproszczenia rysunek przedstawia oczywiście przestrzeń dwuwymiarową zawieszoną w przestrzeni trójwymiarowej - mało kto potrafi wyobazić sobie geometrię czwartego wymiaru).


Rysunek 1.1. Rozpędzanie obiektu w przestrzeni czterowymiarowej
A - energia włożona w rozpędzenie obiektu (siła styczna do lokalnej powierzchni przestrzeni trójwymiarowej
B - składowa równoległa do płaszczyzny przestrzeni trójwymiarowej, powodująca rzeczywisty wzrost prędkości obiektu
C - składowa prostopadła do płaszczyzny przestrzeni trójwymiarowej, powodująca wyłącznie wzrost masy obiektu i „pogłębiająca” studnię grawitacyjną
D - siła odwrotna do siły A (np. energia wyrzuconych gazów w silniku rakietowym) służąca do rozpędzenia obiektu i wyjaśniająca dlaczego siła A musi być siłą styczną do powierzchni przestrzeni

Zaprezentowana hipoteza tłumaczy również dobrze, dlaczego sonda Voyager wychodząc ze studni grawitacyjnej układu słonecznego systematycznie zwalnia. Ilustruje to rysunek 1.2 poniżej (obserwacja ta nie została umieszczona w przesłankach hipotezy, ponieważ dowiedziłem się o tym już po sformułowaniu hipotezy)


Rysunek 1.2. Przyczyny zwalniania obiektów wychodzących ze studni grawitacyjnej
A - Początkowa prędkość obiektu, styczna do przestrzeni trójwymiarowej
B - Prędkość wynikowa, po uwzględnieniu utraty prędkości spowodowanej wyjściem ze studni
C - Składowa prędkości skierowana „na zewnątrz” w przestrzeń czterowymiarową, utrata prędkości.

Komentarz: Tutaj mamy do czynienia z rozkładem prędkości (podczas gdy na poprzednim rysunku pokazany był rozkład przyśpieszenia). Rozkład przyśpieszenia przy wyjściu ze studni grawidacyjnej (zgodnie z tym modelikiem) dawałby efekt niewytłumaczalnego przyśpieszania obiektu. Niestety nie mam wystarczającej wyobraźni przestrzennej (i jestem za leniwy na zabawy z równanimi), aby powiedzieć, w którym momencie, który z efektów powinien przeważać.

Konsekwencje hipotezy:

• Jeśli udałoby się skierować siłę rozpędzającą obiekt równolegle do płaszczyzny przestrzeni trójwymiarowej, (równolegle do składowej B z rysunku 1.1), możliwe byłoby stosunkowo proste rozpędzanie obiektów do prędkości światła, bez ubocznych efektów w postaci zwiększenia masy obiektu, rosnących kosztów energetycznych i zjawiska dylatacji czasu.
• Obiekty pozbawione własnej studni grawitacyjnej można rozpędzać do prędkości światła praktycznie „za darmo”. Nie trzeba np. wielkiej energii, by wysłać w kosmos strumień fotonów z prędkością światła.
• Jako, że czas płynie wolniej na dnie studni grawitacyjnej, oznacza to, że wszelkie procesy entropiczne w zależności od lokalizacji obiektu będą przebiegać w innym tempie. Entropia „przebiega” szybciej na orbicie okołoziemskiej niż na powierzchni Ziemi, szybciej na Ziemi niż na Wenus, inaczej w okolicach Plutona, a inaczej w bezpośredniej bliskości Słońca. Inaczej na powierzchni Słońca, a inaczej w jego wnętrzu.
• Co oznacza, że wszelkiie prawa i właściwości fizyczne zależne są od lokalizacji („wysokości”) w studni grawitacyjnej. Substancje znalezione na Księżycu mogą mieć inne właściwości fizyczne (np. tempo rozchodzenia dźwięku w zależności od gęstości) niż te znajdujące się na Ziemi, reakcje termojądrowe inaczej (wolniej, z mniejszą utratą energii) będą przebiegać na powierzchni Słońca a inaczej na Ziemi.
• W przypadku fali czterowymiarowej, jej długość może się zmieniać przy wychodzeniu (lub wchodzeniu) do studni grawitacyjnej. Prawdopodobnie będzie rosła długość fali.
• Wyhamowywanie obiektów przy wychodzeniu ze studni grawitacyjnej gwiazdy (patrz rysunek 1.2) jest zabawną alternatywą dla idei "ciemnej materii". Obiekty byłyby spowalniane, jakby istniała dodatkowa, niewidoczna masa.
  

Na koniec krótkie opowiadanie SF na motywach tego pomysłu: Paradoks bliźniaczek.

---

2.    Studnia grawitacyjna antymaterii, jest skierowana odwrotnie do studni grawitacyjnej materii.

Przesłanki: Niestety w tej chwili nie pamiętam, bowiem jest to jedna z wcześniejszych hipotez (około 1991 roku), z której zostały w pewnym sensie wyprowadzone pozostałe.

Jądro hipotezy: W zasadzie na jej korzyść przemawia tylko to, że dobrze tłumaczy nietypowy kierunek wszystkich strzałek fizycznych dla antymaterii (np. odwrotny kierunek strzałki czasu). Niemniej hipoteza ta była budowana w oparciu o założenia, że czas jest efektem ruchu przestrzeni trójwymiarowej względem przestrzeni czterowymiarowej (tzn. czas nie jest czwartym wymiarem, a raczej sposobem w jaki odbieramy ruch względem czwartego wymiaru) i że  prędkość tego ruchu jest mniejsza na dnie studni grawitacyjnej niż na jej obrzeżach. Poniżej poglądowy rysunek. Lejki tak jak poprzednio reprezentują studnie grawitacyjne.


 Rysunek 2.2. Materia i antymateria
A - Ruch przestrzeni trójwymiarowej względem przestrzeni czterowymiarowej postrzegany przez obserwatora znajdującego się w przestrzeni trójwymiarowej, jako upływ czasu
B - Zderzenie materii z antymaterią powoduje zniknięcie obu cząstek z przestrzeni trójwymiarowej, a zgromadzona w obu studniach grawitacyjnych energia uwalnia się w eksplozji.

Konsekwencje hipotezy: Dużo nowych pytań. Niestety w nauce tak jest, że każda nowa teoria rodzi więcej pytań, niż rozwiązuje starych. Dwa najważniejsze:

• Czy zderzenie materii i antymaterii rzeczywiście powoduje fizyczną anihilację obu, czy tylko zniknięcie z przestrzeni trójwymiarowej (brązowa linia).
• Jaki mechanizm powoduje ruch przestrzeni trójwymiarowej względem czterowymiarowej i dlaczego ruch ten postrzegany jest przez jako upływ czasu? A może upływ czasu (entropię) wywołuje jeszcze jakiś inny czynnik?
• Jak widać w tej hipotezie czwarty wymiar nie jest czasem, a czas to coś zupełnie niezależnego od wymiaru geometrycznego (przeszłość i przyszłość nie istnieją fizycznie: możemy poruszyć się wstecz lub w przód w czwartym wymiarze, ale na pewno nie spotkamy swojego dziadka, ani przyszłych potomków - nikt nie zapisuje przeszłości na jakimś kosmicznym "twardym dysku", abyśmy mogli do niej powrócić i zmieniać wedle uznania). Posługując się prostą analogią: czas ma się do czwartego wymiaru tak jak opór powietrza, który odczuwamy jadąc na rowerze do drogi, którą przebywamy jadąc.

Oczywiście można sobie wyobrazić np. również takie wytłumaczenie:  Przestrzeń trójwymiarowa stoi w miejscu, a tylko uderzają w nią jakieś czterowymiarowe cząstki wywołując entropię, czyli właśnie to, co postrzegamy jako czas. Prawdę powiedziawszy jest nawet zgrabniejsze od idei "ruchomej przestrzeni trójwymiarowej", bo nie wymaga, aby dno studni grawitacyjnej (np. powierzchnia Ziemi) poruszało się z inną prędkością niż obrzeża (np. orbita okołoziemska). Różnice w upływie czasu byłyby wtedy efektem samej geometrii przestrzeni trójwymiarowej: obrzeża studni byłyby po prostu silniej narażone na efekty tego hipotetycznego "bombardowania", przez co entropia byłaby tam silniejsza i dlatego czas płynie tam szybciej. Można jednak zbudować kilkanaście innych, równie dobrych, modeli.

Komentarz: to nie jest oryginalna idea. R. P. Feynman (polecam jego  wykłady z fizyki, a także książkę "Pan raczy żartować panie Feynman" - kawał dobrej zabawy) bodajże dostał Nobla za pracę, w której dowodził, że pozytrony (antyelektrony), można opisywać jako elektrony poruszające się wstecz w strumieniu czasu.

---

3.    Duże cząstki elementarne (protony, neutrony) są obiektami czterowymiarowymi zawieszonymi w przestrzeni trójwymiarowej i jesteśmy w stanie obserwować tylko ich trójwymiarowy przekrój. Lekkie cząstki elementarne (elektrony, fotony, neutrina) są w rzeczywistości falą czterowymiarową.

Przesłanki: Hipoteza ta powstała początkowo jako swobodne rozwinięcie (intelektualna zabawa) hipotez 1 i 2 oraz próba rozwiązania paradoksu związanego z doświadczeniem Thomasa Younga i paradoksu Einsteina-Rosena-Podolskiego. Próba zobaczenia, co by było, gdyby przenieść relacje między przestrzenią trójwymiarową a czterowymiarową na płaszczyznę cząstek elementarnych i mechaniki kwantowej. Początkowo istniała tylko pierwsza część tej hipotezy i sama z siebie niewiele tłumaczyła. Dopiero około 1998 roku pojawił się element związany z falą czterowymiarową i dopiero on nadaje (dzięki wyjaśnieniu kilku paradoksów fizycznych) jakiś sens wszystkim zaprezentowanym tu hipotezom.

Ideę "fali czterowymiarowej" miałem zamiar wykorzystać w opowiadaniu "Śmierć terrorysty", w którym szalony naukowiec, żeby go wysłuchano bierze na zakładników pracowników i studentów MIT (Massachusetts Institute of Technology. Agenci FBI (bracia bliźniacy John i Jack Smith), zabijają go, a opowiadanie kończy się mniej więcej takim podsumowaniem: "Może i jego teoria była genialna, ale uczonych mamy na pęczki, a z terroryzmem trzeba walczyć". Tekst zacząłem pisać na kilka miesięcy przed II wojną w Czeczenii (jesień 1999), gdy już mniej więcej było wiadomo, że Rosja szykuje sie do wojny i jako oficjalnego uzasadnienia użyje argumentu "wojny z terroryzmem", dalszego rozwoju wypadków związanych z "wojną z terroryzmem" oczywiście nie przewidziałem (no może poza użyciem samolotów pasażerskich jako "bomb", niemniej to akurat było oczywiste od 1992 roku  - katastrofy samolotu izraelskich linii El-Al (lot 1862), który zniszczył budynek mieszkalny w Holandii). Niestety poległem na opisie idei fali czterowymiarowej - był strasznie niestrawny.
 
Przesłanki obserwacyjne:

• Ułamkowy spin niektóryych cząstek elementarnych (1/2)
• Zjawisko „tuneloowania” - przenikania cząstek przez fizyczną barierę
• Eksperyment Thomasa Younga
• Paradoks Einsteina-Rosena-Podolskiego
  

Jądro hipotezy

Część pierwsza
W przypadku cząstki czterowymiarowej, która nie jest symetryczna w czterech wymiarach, w zależności od jej „nachylenia” względem przestrzeni trójwymiarowej mogłaby być ona obserwowana jako różne cząstki. Przykład na rysunku 3.1.

Rysunek 3.1. Nachylenie czterowymiarowej cząstki względem przestrzeni trójwymiarowej (gruba czarna linia) może sprawiać, że w zależności od sytuacji wyglądać będzie ona inaczej (na rysunku raz jak kwadrat, raz jak prostokąt), co ilustrują widoczne poniżej przekroje - obraz cząstki dla obserwatora trójwymiarowego. Zabawne byłoby przyjęcię, że np. proton i neutron to jedna i ta sama cząstka, tylko inaczej nachylona względem przestrzeni trójwymiarowej (ewentualnie drgająca w innym rytmie).

Część druga
Falą czterowymiarową są najprawdopodobniej wszystkie cząstki lekkie: fotony, elektrony, neutrina, etc.
Wyobraźmy sobie, jak obserwator trójwymiarowy będzie postrzegał falę czterowymiarową. Składowa fali równoległa do przestrzeni trójwymiarowej będzie postrzegana jako fala, podczas gdy składowa prostopadła, będzie zakrzywiać przestrzeń trójwymiarową i z racji tego dla obserwatora wyglądać będzie jak cząstka. Poniższy, uproszczony, rysunek pozwala to sobie wyobrazić.


Rysunek 3.2. Fala czterowymiarowa (na modelu fali trójwymiarowej przecinającej przestrzeń dwuwymiarową)
A - Składowa fali czterowymiarowej równoległa do przestrzeni - cienka czarna linia w płaszczyźnie (szarej) przestrzeni trójwymiarowej - obserwator postrzega ją jako falę lub jako właściwości cząstki
B - Składowa fali czterowymiarowej prostopadła do przestrzeni - szeroka fala odkształcająca przestrzeń to w górę (kolor szary), to w dół (kolor żółty)
C - Na żółto zaznaczono dolinę fali. Tylko ta część składowej prostopadłej do przestrzeni powoduje zakrzywienie przestrzeni trójwymiarowej i z racji tego jest widoczna dla trójwymiarowego obserwatora jako cząstka (żółte koła), część prostopadłej składowej zaznaczona na szaro, pozostaje niewidoczna dla obserwatora
D - płaszczyzna przestrzeni trójwymiarowej (na rysunku oczywiście dla uproszczenia dwuwymiarowa)

Jak widać tego rodzaju fala będzie postrzegana przez obserwatora jako strumień cząstek (dwa żółte koła pod rysunkiem) o takich samych właściwościach. W normalnych warunkach dają one obraz cząstek punktowych. Jednak jak wskazują doświadczenia, w silnym polu elektromagnetycznym elektrony zostają „rozciągnięte” (lub „rozmyte”) w przestrzeni, przestając być cząstkami punktowymi (mają również kilka nietypowych wiadomości w zakresie ładunku elektrycznego i energię mniejszą niż kwant), co jest logiczne, jeśli przyjmiemy, że są nie cząstką, a falą czterowymiarową, bowiem parametry fali (w odróżnieniu od cząstki) można dość swobodnie zmieniać.

Notabene powyższy rysunek jest pewnym uproszczeniem, bo w praktyce cząstki zapewne pojawiały by się na przecięciu dwóch lub trzech fal (tam, gdzie nałożyłoby się kilka dolin fali) - patrz rysunek 3.3.

Hipoteza ta wyjaśnia dość dobrze paradoks, w którym pojedynczy elektron przepuszczany jest przez przesłonę (eksperyment Thomasa-Younga). Jeśli w przesłonie jest tylko jeden otwór, na tarczy po przeciwnej stronie powstaje obraz punktowy, jaki dawałaby cząstka (patrz rysunek 3.3). Jeśli w przesłonie są dwa otwory, elektron zostawia na tarczy ślad taki jaki zostawiłaby fala przechodząca jednocześnie przez oba otwory. W momencie, gdy uświadomimy sobie, że emitując elektron, emitujemy jednocześnie poza samą cząstką (widoczna dla nas dolina fali), również niewidoczny dla nas grzbiet fali, który po przejściu przez przesłonę interferuje z doliną fali (elektronem) i na tarczy pojawia się ślad fali. Ilustruje to rysunek 3.3.


Rysunek 3.3. Jak widać emitując elektron (żółte koło) emitujemy również niewidoczną falę (łuk). Jeśli elektron przechodzi przez pojedynczy otwór w przesłonie, fala niezakłócona przechodzi przez otwór i daje na tarczy (szary prostokąt) obraz cząstki. Jeśli w przesłonie są dwa otwory, to elektron przechodzi przez jeden otwór, ale pozostała niewidoczna część fali przechodzi również przez drugi otwór. W efekcie powstają dwie osobne fale, które po przejściu przez przesłonę interferują ze sobą, dając na przesłonie właściwy dla fali obraz w postaci prążków.

Cytuję eksperyment (Thomasa Younga) z pamięci, tak jak opowiadał mi go ongi Piotr Tymochowicz  - zwracając uwagę na ciekawy fakt, że elektron zachowuje się tak, jakby z góry "wiedział" (miał własną inteligencję), w jaki sposób zamierzamy przeprowadzić eksperyment - jeśli coś pokręciłem, przepraszam.

Hipoteza fali czterowymiarowej tłumaczy również dobrze paradoks Einsteina-Rosena-Podolskiego. Paradoks Einsteina-Rosena-Podolskiego miał w założeniu Einsteina udowadniać niespójność logiczną mechaniki kwantowej. Zgodnie z mechaniką kwantową możemy przygotować parę cząstek (fotonów) splątanych, które mają odwrotnie ustawioną polaryzację. Zgodnie z mechaniką kwantową nie wiemy (dopóki nie zmierzymy), który z dwóch stanów polaryzacji będzie miała każda cząstka w takie parze, wiemy jednak, że cząstka A ma zawsze odwrotną polaryzację niż cząstka B. Gdybyśmy wysłali je w przeciwnych kierunkach i po pewnym czasie sprawdzilibyśmy polaryzację cząstki A, to mielibyśmy pewność, że cząstka B, choćby odległa o lata świetlne przyjmie polaryzację przeciwną. Tak jakby między cząstkami nastąpiło natychmiastowe przesłanie informacji - z nieskończoną prędkością. Według Einsteina przeczyło to zasadzie, że maksymalną możliwą prędkością jest prędkość światła, a więc w mechanice kwantowej musiał tkwić błąd. Niedawno ten eksperyment myślowy zrealizowano w praktyce i okazało się, że Einstein się mylił.

Lub nie. Opierając się na modelu fali czterowymiarowej można wyjaśnić ten efekt bez konieczności zakładania, że informacja między fotonami przesyłana jest z nieskończoną prędkością. Można to sobie wyobrazić na następującym przykładzie: 

Załóżmy, że mamy dwa sznury ludzi zaopatrzonych w latarki białą, zieloną i czerwoną. Jest noc, obie kolejki ludzi rozchodzą się w dwu przeciwnych kierunkach. Na sygnał start pierwszy człowiek w każdym rzędzie zapala latarkę, po upływie sekundy robi to drugi, potem trzeci, itd. Jednocześnie ludzie otrzymują polecenie, by w momencie, gdy zapalają białą latarkę zapalać również latarkę kolorową. Tyle, że w pierwszym łańcuchu parzyści ludzie zapalają latarkę zieloną, a nieparzyści czerwoną, a w drugim na odwrót nieparzyści zapalają zieloną, a parzyści czerwoną. Przyjrzyjmy się sytuacji po powiedzmy 13 sekundach. Widzimy dwóch ludzi: jeden trzyma zapalone latarki białą i czerwoną, a drugi białą i zieloną. Biała latarka symbolizuje tutaj elektron, czyli widoczną część fali. Z kolei latarki zielona i czerwona dwie przeciwne polaryzacje właściwe dla stanu splecionego.

Rysunek 3.4. Fala czterowymiarowa a paradoks Einsteina-Rosena-Podolskiego
Czarna fala - to składowa fali prostopadła do przestrzeni trójwymiarowej odpowiedzialna za ugięcie przestrzeni i postrzeganie przez obserwatora cząstek (żółte kółka).
Niebieska fala - to składowa fali odpowiedzialna za różne polaryzacje splecionych czastek. Oznaczone zielonymi i czerwonymi trójkątami.
T1, T2, T3 - to kolejne momenty czasu, w których obserwujemy oddalające się w przeciwnych kierunkach cząstki.

Jak widać, niezależnie od odległości oba splecione elektrony (lub fotony w zależności od eksperymentu) będą miały zawsze przeciwne polaryzacje (zielony i czerwony trójkąt) i wynika to z naturalnych właściwości fali, nie ma żadnej potrzeby „komunikacji” między fotonami. Wystarczy aby długość tej składowej fali czterowymiarowej, która jest odpowiedzialna za polaryzację, była dwa razy dłuższa od długości składowej fali odpowiedzialnej za zakrzywianie przestrzeni, czyli za to, że widzimy cząstkę - lub mówiąc inaczej składowej fali prostopadłej do przestrzeni trójwymiarowej (gdzie dolina fali obserwowana jest jako elektron).

Oczywiście pomysł ten choć elegancki i zabawny, nadal wielu problemów nie wyjaśnia:
1.    W jaki sposób cząstki duże emitują falę czterowymiarową i w jaki sposób przekazuje ona oddziaływania (siły) fizyczne. W szczególności, jaki jest mechanizm przepływu prądu (elektronów) i skąd się bierze pole elektromagnetyczne?
2.    Jaka w kontekście fali czterowymiarowej jest dokładna natura przemian atomowych i skąd biorą się w takiej sytuacji „wyspy stabilności” (ciężkie pierwiastki o określonej, "magicznej" liczbie protonów i neutronów, które są bardziej stabline niż ich sąsiedzi z tablicy okresowej pierwiastków).
3.    Dlaczego istnieją trzy rodziny cząstek elementarnych?
4.    Jakie mogą być formy fali czterowymiarowej i jaki ma ona dokładnie kształt dla każdego z typów cząstek?
itp., itd.

To tylko najbardziej podstawowe z pytań. W rzeczywistości są ich setki. W fizyce każde wyjaśnienie tworzy z reguły dwa nowe pytania.

Warto zauważyć, że w gruncie rzeczy "fala czterowymiarowa" nie jest niczym nowym, a jedynie przypisem do tzw. fali materii (wprowadzona do fizyki w latach 20-tych XX wieku przez de Broigla), wykorzystywana później w elektrodynamice kwantowej (QED) - patrz kwantowy eter. patrz również: potencjał kwantowy (David Bohm, Basil  Hiley) i doświadczenie Alain Aspecta 

Konsekwencje hipotezy:

• Falę czterowymiarową mmożna swobodnie zniekształcać, co tłumaczyłoby obserwacje w których impuls światła porusza się z prędkością większą od światła, prąd płynie jednocześnie w dwu kierunkach, etc.
• Wszelkie obserwacje wykonywane za pomocą fali czterowymiarowej są mało wiarygodne. Np. kwarki mogą w ogóle nie istnieć i być tylko efektem mylnej interpretacji zderzenia. Inaczej od obiektu odbijać się będzie cząstka, a inaczej fala, która może w trakcie tego sama ze sobą interferować - mówiąc obrazowo: dźwięk powstały w wyniku uderzenia w dzwonek innym dzwonkiem (falą czterowymiarową) można źle zinterpretować, gdy myślimy, że uderzamy w dzwonek młoteczkiem (cząstką). Zakłócenia będą tym silniejsze, im większa będzie energia fali.
• Neutrina mogą być związane z falami grawitacyjnymi. Są idealnie prostopadłe do przestrzeni trójwymiarowej (nie mają składowej równoległej). Daje to szansę na kontrolowanie siły grawitacji.
• Ponownie pojawia się kwestia „eteru”. Musi istnieć jakaś niewidoczna i całkowicie nieważka materia tworząca „tkankę” przestrzeni trójwymiarowej, w której mogłyby rozchodzić się fale czterowymiarowe (wspomniana dalej akasza).
• Wszelkiego rodzaju gluony (cząstki sklejające) i bozony (cząstki przenoszące oddziaływania) mogą w rzeczywistości nie istnieć i być jedynie złudzeniem, na podobnej zasadzie jak kwarki.
  

Reasumując

W skrócie cały model wyglądałby tak:
W trójwmiarowym eterze (dla odróżnienia od XIX-wiecznego eteru nazwijmy go: akasza) niczym spławiki osadzone są czterowymiarowe cząstki ciężkie (bariony): protony i neutrony. Ich drgania wywołują w akaszy fale (trójwymiarowe i czterowymiarowe, które mogą przechodzić w siebie nawzajem przy zderzeniach). W miejscu przecinania się wzbudzanych fal pojawiają się drobne zakrzywienia przestrzeni obserwowane jako cząstki lekkie (elektrony, fotony, neutrina, etc.). Siły fizyczne przekazywane są za pośrednictwem fal rozchodzących się w akaszy. Zasadniczo akasza zbudowana jest z cząstek idealnie neutralnych - tzn. w normalnych warunkach nieobserwowaalnych (zerowa masa, energia) - jedynym dowodem istnienia cząstek akaszyyy byłyby kwanty - najmniejsze jednostki energii.

Jak łatwo zauważyć jest to model bardzo prosty. Obywa się między innymi bez:
kwarków - które są tylko "składnikami wzorca drgańń" cząstek ciężkich traktowanych wysokoenergetyczną falą czterowymiarową.
gluonów - cząstek sklejających.
bozonów - cząstek przenoszących oddziaływania. Patrz diagramy Feynmana.
ciemnej materii - jeśli przyjrzeć się uważnie rysunkowi 1.2, jeśli obiekty wychodzące ze studni grawitacyjnej zwalniają przy wyjściu, nie jest konieczne poszukiwanie w kosmosie dodatkowej masy, by wyjaśnić silniejsze, niż to wynika z obliczeń fizycznych, oddziaływania grawitacyjne.

Nawet rozkład sił w przestrzeni czterowymiarowej jest tylko prostą konsekwencją postrzegania oddziaływań fizycznych jako rozkładu drgań w fali czterowymiarowej.

Dziwne wyniki eksperymentów w rodzaju "teleportacji cząstek", fali świetlnej poruszającej się szybciej od światła, "rozmazania" elektronów w silnym polu magnetycznym, itp. nie wymagają tworzenia nowych modeli wyjaśniających te zjawiska - fala czterowymiarowa powinna się mniej więcej tak zachowywać - być bardziej "plastyczna" i podatna na manipulacje niż cząstki.

Pozostaje oczywiście pytanie, co utrzymuje trójwymiarową przestrzeń akaszy w przestrzeni czterowymiarowej? Dlaczego fale (w istocie 4-wymiarowe) i oddziaływania rozchodzą sie akurat w trzech wymiarach? Co wyróżnia 3-wymiarowy wszechświat z przestrzeni 4-wymiarowej. Jest to w pewnym sensie taki sam problem jak w przypadku świata wspartego na czterech słoniach stojących na grzbiecie zółwia - czy ocean jest częścią innego świata wspartego na kolejnych słoniach i kolejnym żółwiu, tak w nieskończoność? Czy przestrzeń 4 wymiarowa zawieszona jest z kolei w jakiejś przestrzeni wiecej wymiarowej, a ta w kolejnej, tak w nieskończoność? Widać tutaj pożytek z czytania książek pozornie przeznaczonych dla dzieci takich jak cykl o Świecie dysku, Pratchetta. :-)

Dla tych którzy chcieliby się dowiedzieć czegoś więcej o najmniejszych cegiełkach materii polecam Przygodę z cząstkami. Patrz też Cząstki elementarne (Wikipedia).

Jednym słowem model jest bardzo zgrabny, ponieważ nie jestem sobie w stanie wyobrazić równań matematycznych rządzących falą czterowymiarową, nie mam zielonego pojęcia, czy nie jest całkowitą bzdurą i nie stoi w sprzeczności z którąś z fundamentalnych zasad na których oparta jest współczesna fizyka.

Przypominam więc jeszcze raz - jest to czyste SF - dla pisarzy SF ma podstawową zaletę: dopuszcza podróże z prędkościami większymi od prędkości światła, nie przewracając całej współczesnej fizyki do góry nogami. ;-)  Nie mówiąc o możliwościach łatwej kontroli grawitacji, czy korzystania z tanich źródeł energii, które oferuje idea fali czterowymiarowej. ;-)

Spisane: rdzeń - Warszawa, lato 2001 (aczkolwiek pierwszy z pomysłów zakiełkował mi w głowie około roku 1991); komentarze przed i po - lato-jesień 2004; komentarze fioletowe luty 2005.
Wygładzone: zima 2006 oraz styczeń 2007.

Góra strony