Franc Rozman

POTOVANJE V SREDIŠČE ATOMA

Naslov izvirnika:

POTOVNJE V SREDIŠČE ATOMA

Franc Rozman

Franc Rozman, 2018

Copyright © 2018

Oblikovanje: Maurice Zalaznik

PDF in e-knjiga narejena: junija 2011

CIP - Kataložni zapis o publikaciji

Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana

Uvod

Knjižica bralca preko spoznavanja elektromagnetnega polja popelje v globine atoma. Podaja hipotetični model razgradnje atoma do aksiona, to je do najmanjšega snovnega delca. Opisuje povezovanje aksionov v elektrone, kvarke in atomska jedra. Pojasnjuje sile, ki ustvarjajo in združujejo te delce. Model temelji na poznanem fizikalnem znanju in meritvah, vendar ta znanja povezuje na nov in izviren način. Opisi so podani v posplošeni obliki.

Opisani so pojavi, na katere fizika še išče odgovore. Podaja opis zgradbe nevtrina in elektrona, pojasnjuje, kako elektron in pozitron ustvarita električna naboja, podaja mehanizme nastajanja snovi, podaja izvor gravitacijskega polja in še več. Spoznanja so rezultat poznanih fizikalnih meritev. Vendar bo ta modela dosegel svojo zrelost, ko bodo opravljene še namenske meritve, ciljno usmerjene v potrjevanje tega modela.

Kvantna fizika podajajo enega od možnih matematičnih modelov opisa atoma, ne odgovarjajo pa na mnoga druga vprašanja, na primer zakaj so atomske orbite ravno takšne, kot so, in ne večje ne manjše, zakaj elektron okrog atomskega jedra lahko kroži, ne da bi seval energijo, zakaj kroži po elipsi in ne po krožnici, zakaj imajo elektroni vsi enako maso in zakaj ravno takšno. Knjižica skuša čim celoviteje odgovoriti tudi na ta vprašanja. Za uspešne odgovore je treba vpeljati nekatere dodatne pojme.

Odkritja v zgodovini so praviloma rezultat poskusov posameznikov, ki ubirajo neuhojene poti. Tudi to besedilo opisuje naravne danosti iz povsem novega in izvirnega zornega kota, ki ga nismo vajeni iz aktualne fizike. Bralec bo težko sledil vsebini knjižice, če se skupaj z avtorjem ne poda na fizikalna brezpotja.

Knjižica v elektronski obliki združuje vsebini knjižic Esej o svetlobi in Potovanje v središče atoma, ki sta izšli v tiskani obliki.

Energija

V Wikipediji beremo, da je energíja skalarna veličina in je povezana s sposobnostjo opravljanja dela. Ta opredelitev ni celovita, saj ne vključuje vezalne energije. Objekt lahko oddaja energijo v okolico in s tem ustvarja dinamiko. Vetrna energija na primer poganja jadrnice, vodna energija vrti vodna kolesa, sončna energija segreva vodo.

Vloga vezalne energije je povezovanje. Vezalna energija je vezivo, ki povezuje objekte drugega na drugega. Primer vezalne energije je povezava elektrona in protona v atom vodika.

Razliko med energijo in vezalno energijo ilustrira Slika 1.

Slika 1 - Energija s silo razdvaja dva delca, dokler ne izideta iz energijskih polj drug drugega, ob tem pa opravlja delo. Vezalna energija s silo privlači dva delca, dokler ju ne zlepi, ob tem pa opravlja delo.

Delce praviloma obdajajo energijska polja. Kadar se energijska polja delcev med seboj prekrivajo, ustvarjajo silo med delci. Sila delce bodisi razmika, bodisi povezuje in priklepa.

Energija s silo delce razmika. Razmikanje prikazuje gornja skica na Sliki 1. Energija odbojno silo ustvarja takrat, kadar se na primer srečata dva enaka električna naboja.

Vezalna energija s silo objekte priklepa drugega na drugega. Povezanost objektov prikazuje srednja skica na Sliki 1. Vezalno energijo ustvarjata na primer dva nasprotna električna naboja, dva magneta, ki se privlačita, ali črna luknja, ki vase sesa sosednjo zvezdo.

Sile na objekte so na primer lahko tudi izenačene, kar kaže spodnja skica na Sliki 1. Pri kroženju Lune sta na primer uravnoteženi sredobežna sila in sila gravitacije. Gravitacija Luno vleče k Zemlji, kinetična energija Lune pa jo na osnovi sredobežne sile skuša oddaljiti od Zemlje.

Pojavi pa se vprašanje, zakaj ločevati potencialno energijo, kjer sila deluje v smeri približevanja delcev, od energije, kjer sila deluje v smeri ločevanja. V obeh primerih ima sila na poti zmožnost opravljanja dela.

Različen je končni rezultat delovanja energije in vezalne energije. Ob delovanju sil navzven delca po oddaljitvi ostaneta nepovezana in prosta oziroma svobodna. Ob delovanju sil v smeri njunega približevanja pa se delca medsebojno povežeta. Povezovanje delcev pa je osnovni mehanizem ustvarjanja snovi.

Energijo na srednji skici Slike 1 lahko pojmujemo na dva načina: kot vezalno ali kot potencialno energijo.

Potencialna energija je sposobna opravljati delo, dokler objekt pada in dokler ne prispe na dno energijske kotanje.

Vezalna energija pa je energijski dolg, ki povezuje dva delca. Brez pridobitve energije od drugod se delca medsebojno ne moreta ločiti. Vezalna energija pomeni energijsko zadolženost. Pomeni negativno obliko energije.

Energija in sile

V vesoljski postaji, ki kroži okrog Zemlje, opravim miselni poskus. Zamislim si dve lebdeči krogli. Če krogli naelektrim z enakima električnima nabojema, ju sila električnega polja odbija. Kadar ju naelektrim eno s pozitivnim, drugo pa z negativnim električnim nabojem, ju sila privlači.

Krogli nasprotnih nabojev pospešim tako, da krožita druga okrog druge, podobno kot krožita dvojni zvezdi. Privlačna sila med nabojema ju privlači, sredobežna sila kroženja pa ju odbija. Sili delujeta v različnih smereh. Kadar sta sili uravnoteženi, krogli krožita druga okrog druge.

Sila med kroglama je posledica njunih energij. Namesto smeri delovanja sil lahko govorim o smeri delovanja energij. Vezalna energija deluje proti središču kroženja krogel, kinetična energija pa iz središča kroženja. Posledično je energiji smiselno označiti s predznakoma, eno s plusom, drugo z minusom.

Kinetični energiji krogel ustvarjata sredobežno silo. Glede na Sliko 1 kinetično energijo označim kot pozitivno obliko energije. Privlačna sila vezalne energije krogli med seboj privlači in ju povezuje. Določim ji torej nasprotno smer delovanja, to je negativno obliko energije.

Negativna vezalna energija določa stopnjo medsebojne ujetosti krogel. Z vezalno energijo povezani krogli se ne moreta ločiti, če od nekod ne dobita potrebne energije za svojo osvoboditev. Z vezalno energijo povezani krogli sta energijsko zadolženi, imata energijski dolg.

Krogli naj med seboj krožita tako, da krivulji njunih kroženj rišeta elipse. Podobno kroži komet okrog Sonca. Kroglama se ciklično spreminja tako kinetična kot vezalna energija. Kadar sta krogli na krajši osi elipse in s tem blizu skupaj, imata več kinetične energije in hkrati tudi več negativne vezalne energije. Kadar sta krogli na daljši osi elipse, imata manj kinetične energije, obenem pa sta manj povezani z vezalno energijo.

Slika 2 - Ob kroženju kometa okrog Sonca se v paru sočasno pojavljata in izginjata vezalna in kinetična energija.

Ko se veča kinetična energija krogel, se v smeri negativne energijske vrednosti veča tudi vezalna energija, kar prikazuje Slika 2.

Njun odnos je skladen z zakonom o ohranitvi energije. Kinetična energija krogel ima pozitivne energijske vrednosti. Na Sliki 2 so prikazane nad nično energijsko vrednostjo. Vezalna energija krogel ima negativne energijske vrednosti, zato je na diagramu prikazana pod osjo, ki prikazuje nično energijsko vrednost.

Model simetrij

Opisani model pozitivne in negativne oblike energije ni skladen s standardnim modelom zgradbe snovi. Zato je v tem besedilu predstavljen alternativni model zgradbe snovi, ki ga namesto standardni model imenujem model simetrij. Ime izhaja iz simetrij, ki jih v zgradbo snovi prinaša simetrično pojavljanje energij v obliki pozitivnih in negativnih oblik energij. Bralec bo uspešno sledil nadaljnjemu besedilu le, če se miselno oddalji od standardnega modela zgradbe snovi in ob branju skuša slediti predstavljenemu modelu simetrij.

Vezalna energija

Elektron, ki svobodno tava po prostoru, ni obremenjen z vezalno energijo. Ko pa vpade v orbito okrog atomskega jedra, postane z negativno vezalno energijo vezan na atom.

Ob vpadu elektrona v atomsko lupino se sočasno v paru ustvarita foton in vezalna energija, prvi s pozitivno, druga z negativno energijo.

Elektron in proton ob vpadu elektrona v atomsko lupino ohranjata tako svoji strukturi kot svoji masi. Ob tem se na novo ustvari energijsko polje v obliki vezalne energije, ki je po energiji enako energiji izsevanega fotona, vendar ima negativno energijsko vrednost. Vezalna energija se lokacijsko ne pojavi znotraj elektrona ali protona, ampak okrog njiju.

Slika 3 - Ob vpadu elektrona v tirnico okrog protona se ustvarita dve novi stvarnosti: izsevan foton in povezava elektron-proton.

Ob vpadu elektrona v atomsko lupino se torej ustvarita dve novi stvarnosti: foton in povezava elektrona na proton. Vse štiri stvarnosti shematsko prikazuje Slika 3. Foton odleti, vezalna energija pa se v obliki polja razporedi med elektron in proton.

S pojavom dveh novih avtonomnih danosti, fotona in vezalne energije, narava ohranja stabilni masi protona in elektrona, hkrati pa ohranja skupno količino energije v celotnem sistemu.

Vsako energijsko polje, tudi polje vezalne energije, ima svojo maso, kot je podrobneje pojasnjeno v poglavju Masa. V povezavi elektrona in protona torej najdemo masi elektrona in protona, poleg tega pa še maso vezalne energije. Atom vodika ima po pričakovanju večjo maso od vsote mas nepovezanega elektrona in protona. Maso mu poveča dodana masa vezalne energije, ki v atomu vodika povezuje elektron in proton.

Dilemo o masi vezalne energije bo pojasnilo merjenje mase vodikovega atoma. Merjenje mase atoma vodika je opisano v članku Atomic weights of the elements 2013 IUPAC Technical Report. Eksperimentalna fizika dovolj natančno meri masi elektrona in protona. Merilne metode merjenja mase vodikovega atoma pa še ne omogočajo dovolj točnih meritev, da bi že lahko eksperimentalno potrdili novonastalo maso vezalne energije.

Energijska razsežnost prostora

Energijska polja – električno, magnetno ali gravitacijsko – preplavljajo prostor. Razporejanje energijskih polj po prostoru opisujejo energijske zakonitosti.

Geometrijske objekte umeščamo v trirazsežni prostor. Za opisovanje energijskih zakonitosti dodamo še eno, to je energijsko razsežnost. Z njo opišemo razporeditev energijskih polj v prostoru. Energijsko razsežnost v koordinatnem sistemu ponazorim s koordinato ‚e‘ na Sliki 4.

Slika 4 - Lastnosti prostora opišemo z energijsko razsežnostijo, ki opisuje gostoto energijskih polj v prostoru.

Tri prostorske razsežnosti (x, y in z) na Sliki 4 prikazuje os r. Čas prikazuje os t, energijsko razsežnost prostora pa os e. Geometrijske zakonitosti opisujejo prostor, energijske zakonitosti pa razporejanje energije v prostoru.

Energijska točka (singularnost)

Vsak naboj ali druga oblika energijske točke (singularnosti) v svoji okolici ustvari energijsko polje. Elektrostatični naboj je v točki zgoščena elektrostatična energija, ki okrog sebe ustvarja električno polje. Podobno je masa v snovnem delčku zgoščena energija, ki okrog sebe ustvarja gravitacijsko polje.

Slika 5 - Energijska singularnost v svoji okolici ustvarja energijsko polje.

Energijsko polje okrog energijske točke prikazuje Slika 5. Gostota energijskega polja okrog energijske točke pada s kvadratom oddaljenosti. Energijske točke in energijskim točkam pripadajoča energijska polja se v prostoru razporejajo tako, da je njihova skupna energija čim manjša.

Zmanjševanje energije uresničuje sila med energijskimi polji. Sile energijska polja premikajo po prostoru in usmerjajo v minimalno energijsko stanje.

Energijski naklon prostora

Energijskega polja osamljenega delca ne opazimo. Energijo opazimo, kadar se dva delca srečata tako, da njuni energijski polji vstopita drugo v drugo. Energijski polji s silo delujeta drugo na drugo tako, da se delca bodisi odbijata bodisi privlačita.

Energijska polja in težnjo k zmanjševanju energije ponazarja energijski naklon prostora na Sliki 6. Kadar se na energijskem naklonu ene energijske singularnosti znajde druga energijska singularnost, jo sila poriva po energijskem naklonu v smeri zmanjševanja energije.

Slika 6 - Spremembo energijske gostote lahko razumemo kot energijsko zakrivljen prostor.

Električni naboj Q na Sliki 6 je obdan z elektrostatičnim poljem. Z oddaljenostjo od naboja Q se gostota energijskega polja zmanjšuje. Različne energijske gostote elektrostatičnega polja lahko razumem kot energijsko zakrivljen prostor. Kadar se na energijskem naklonu (naboja Q) znajde drug energijski vozel (naboj q), ga sila po energijskem naklonu poriva v smeri manjše energije.

Slika 7 - Energijsko razgiban prostor prikazuje ukrivljena ploskev, ki ima na koordinati ‚e‘ takšen odmik od nične vrednosti, kolikor energije se nahaja v opazovanem delčku prostora.

V splošnem prostor, ki vsebuje različne oblike energij (tudi v obliki snovi), lahko opišemo z ukrivljeno ploskvijo, ki ima na energijski koordinati (e) v vsaki točki prostora tolikšen odmik od vrednosti nič v pozitivni ali negativni smeri, kolikor energije se nahaja v opazovanem delčku prostora. Zaradi lažje predstave je na Sliki 7 prikazan dvorazsežni prostor namesto trirazsežnega.

Dinamiko energij v prostoru lahko ilustriram s trampolinom. Če na trampolinu skače več otrok, se ponjava trampolina zvija na različne načine. Vsak otrok s svojo težo po svoje krivi ponjavo, obenem pa vsak otrok pod nogami v obliki sile čuti skoke ostalih otrok. Podobno vsaka energijska singularnost po svoje energijsko krivi prostor. Obenem pa vsaka energijska singularnost s silo občuti delovanje ostalih energijskih singularnosti.

Energijska polja

Snovni svet oblikujejo in ustvarjajo energijska polja, med katerimi prednjačita električno in magnetno polje. V poglavju Snov so tudi najmanjši snovni delci predstavljeni kot preplet električnih in magnetnih polj.

Magnetno polje

Delovanje magnetnega polja ilustrirata magnetni kotvi, prikazani na Sliki 8.

Slika 8 - Leva kotva je pritrjena, desna pa vrteča na ležajni osi.

Leva kotva je nepremična, desna je vrtljiva. Na eni strani sta poravnana severna (N), na drugi strani pa južna magnetna pola (S). Magnetna sila ju odbija in s tem obrača desno kotev. Z vrtenjem kotve magnetna sila opravlja delo. Ko se približa severni pol ene kotve južnemu polu druge, se v kotvah poveča gostota in energija magnetnega polja. Kotvi na osnovi magnetne sile opravita delo, obenem pa se v njiju poveča energija magnetnega polja.

Povečanje energije ob opravljenem delu je lahko skladno z zakonom o ohranitvi energije, če energijo magnetnega polja razumemo kot negativno obliko energije, kot vezalno energijo. Negativna vezalna energija magnetnega polja opravlja delo tako, kot kaže srednja skica na Sliki 1. Ob približanju severnega in južnega magnetnega pola kotev se poveča negativna vezalna energija magnetnega polja. Magnetna pola zdrsneta v medsebojno energijsko povezanost.

Pojav negativne vezalne energije lahko opišemo z naslednjim matematičnim zapisom energij.

– W = – W₀ – A

Začetna energija magnetnega polja – W₀ predstavlja energijo polj magnetnih kotev pred zasukom desne kotve, – W pa energijo njunih polj po zasuku kotve in opravljenem delu. Ko izhodiščni negativni energiji magnetnega polja odštejem opravljeno delo, se negativna energija magnetnega polja poveča v smeri povečanja negativnih energijskih vrednosti. Vezalno energijo magnetnega polja torej narišem pod ravnino na Sliki 7, na področju negativnih energijskih vrednosti.

Ciklično rotiranje kotev

Vztrajnik in vztrajnostni moment desne kotve kotvi omogoča ciklično vrtenje. Ob vrtenju magnetna sila desno kotev enkrat pospešuje, drugič zavira. V fazi, ko je največja kotna hitrost in s tem kinetična energija kotve, je največja tudi magnetna gostota v kotvah. Magnetni gostoti obeh kotev se takrat seštevata.

Sliko 2 lahko razumemo kot diagram magnetne in kinetične energije magnetne kotve. Kadar je kinetična energija kotve najmanjša, je energija magnetnega polja blizu ničle. Ko privlačna sila povečuje kinetično energijo kotve, se v smeri negativnih vrednosti povečuje tudi energija magnetnega polja. Opazimo hkratno pojavljanje in izginjanje kinetične energije in vezalne energije magnetnega polja.

Nihanje LC-člena

Negativna energija magnetnega polja obstaja tudi v LC-vezju. V LC-vezju, ki ga prikazuje zgornji del Slike 9, se napetost na kondenzatorju Uc in magnetni pretok ψ izmenjujeta tako, kot to kaže diagram na Sliki 9. Iz kondenzatorja (C) se energija električnega polja (Wuc) prek električnega toka (I) pretaka v energijo magnetnega polja tuljave (Wψ) in nazaj. Podoben pojav opazimo v energetiki, ko se tako imenovana jalova energija pretaka iz elektrarne do induktivnega porabnika in nazaj.

Slika 9 - Nihanje električnega in magnetnega polja v LC-vezju.

Energijo na kondenzatorju WUC določa kapacitivnost kondenzatorja in napetost na kondenzatorju. Energija WUC se giblje med vrednostjo nič, kadar je napetost na kondenzatorju enaka nič, in vrednostjo C · U² / 2. Napetost na kondenzatorju Uc niha okrog nične vrednosti med pozitivno in negativno napetostjo. Energija v kondenzatorju WUC je pozitivna pri pozitivni in negativni napetosti na kondenzatorju.

Magnetni pretok Ψ je nosilec negativne vezalne energije. Energija magnetnega pretoka WΨ je nič, kadar ni magnetnega polja. Sicer pa je energija magnetnega polja enaka – Ψ² / 2L. Enačba s predznakom minus označuje negativne energijske vrednosti magnetnega polja. Magnetno polje Ψ se pretaka v eni in drugi smeri, naprej in nazaj. Energija magnetnega polja pa ima le negativne vrednosti, neodvisno od smeri pretoka magnetnega polja.

Diagram na Sliki 9 prikazuje poleg energije električnega in magnetnega polja še premikalno energijo (Wp).

Kadar se giblje masni delec, opažamo njegovo kinetično energijo. Tudi pretok magnetnega polja ima svojo vztrajnost. Magnetno polje ne more hipno spreminjati vrednosti ali smeri pretoka. Posledično ima gibajoče magnetno polje poleg svoje magnetne energije tudi premikalno energijo.

Pojma namerno ločujem. S pojmom premikalna energija označujem vztrajnostno energijo energijskih polj, s pojmom kinetična energija pa vztrajnostno energijo snovnega delca. Premikalna energija torej soustvarja dinamiko pretakanja energije električnega in magnetnega polja v LC-členu.

Diagram na Sliki 9 prikazuje premikalno energijo, ki lahko zavzema tako pozitivne kot negativne energijske vrednosti. Pozitivne vrednosti premikalne energije povečujejo dinamiko magnetnega polja LC-vezja, negativne vrednosti pa umirjano dinamiko magnetnega polja.

Pri urnem nihalu se med seboj pretakata dve obliki energije, potencialna in kinetična. V LC-vezju pa se med seboj pretakajo tri oblike energije: električna, magnetna in premikalna. Vsota energij WΨ, Wuc in Wp v LC-vezju je ves čas konstantna.

Transformator

LC-vezje je energijsko avtonomen sistem, kjer se energija pretaka znotraj sistema. Tudi transformator je energijsko sklenjen sistem, kadar na sekundarni strani ni obremenjen. Na primarno navitje transformatorja priključen zunanji vir električne energije v navitju požene električni tok, ki ustvari magnetno polje. To magnetno polje v primerno navitje povratno inducira napetost v nasprotni smeri, ki na priključnih sponkah transformatorja prepreči dotok nove energije. Pozitivna energija vira in negativna energija magnetnega polja se odštevata, izravnata in uravnotežita.

Če se magnetno polje transformatorja ne bi odzvalo z energijo v nasprotni smeri, bi bil tudi neobremenjen transformator nenehno prejemnik energije, ki bi se kopičila v transformatorju, dokler ta ne bi bil uničen zaradi pregrevanja.

Kadar na sekundarno navitje transformatorja priključimo breme, magnetno polje primarnemu navitju ne vrača tistega dela energije, ki jo prevzame sekundarno navitje. Energija magnetnega polja, ne glede na to, da predstavlja negativne oblike energije, omogoča pretok energije prek transformatorja.

Elektromotor

Elektromotor deluje tako, kot kaže srednja skica na Sliki 1. Z elektromagnetom ustvarimo negativno vezalno energijo, ki pritegne kotvo rotorja in zavrti rotor elektromotorja. Ko se kotva približa magnetu, se magnet izključi in vključi se drug magnet v soseščini, ki kotev potegne naprej do naslednjega magneta. Postopek se ponavlja in rotor elektromotorja se vrti. Vrtenje ustvarja privlačna sila vezalne energije magnetnega polja, ki se seli v krogu in za seboj vleče rotor elektromotorja. Električna energija se posredno prek vezalne energije magnetnega polja pretvarja v mehansko delo.

Električno polje

Ko glavnik podrgnemo ob krpo, ta privlači delce. Silo na delce ustvarja električno polje naelektrenega glavnika.

Dva enaka naboja se odbijata, dva nasprotna naboja pa se privlačita. Tako odbijanje kot privlačenje nabojev se dogaja na osnovi težnje narave po zmanjšanju gostote električnega polja, kot to kaže Slika 10.

Slika 10 - Sile skušajo zmanjšati rezultanto električnega polja dveh električnih nabojev, tako v primeru enakih kot nasprotnih nabojev.

Leva stran Slike 10 kaže dva enaka naboja. Naboja ustvarjata električni polji, ki se v opazovani točki vektorsko seštevata. Sila na naboja deluje v smeri zmanjševanja rezultante električnih polj E₁ in E₂ tako, da skuša povečati kot med vektorjema električnih polj E₁ in E₂. Električni polji E₁ in E₂ s silo povratno delujeta na električna naboja tako, da ju skušata razmakniti.

Tudi ob različnih nabojih na desni strani Slike 10 sila deluje v smeri zmanjševanja gostote električnega polja. Sila v točki srečanja električnih polj E₃ in E₄ s silo skuša povečati kot med vektorjema električnih polj E₃ in E₄. Polji E₃ in E₄ na naboja povratno delujeta tako, da ustvarjata privlačno silo med nabojema.

Energija med dvema enakima nabojema

Odbojna sila pri razmikanju enakih nabojev opravlja delo. Ob tem se nabojema zmanjšuje njuno skupno električno polje in energija njunega skupnega električnega polja. Matematično ju zapišem takole:

W = W₀ – A

V izhodišču imata naboja energijo W₀. Energija se nabojema ob njunem oddaljevanju zmanjša na vrednost W. Zmanjša se za opravljeno delo. Dva enaka električna naboja sta nosilca pozitivne oblike energije.

Negativni naboj ni negativna energija

V električnem polju moramo ločevati med pozitivnim in negativnim nabojem in pozitivno in negativno energijo. To sta dva nepovezana pojma.

Kadar se električno polje pojavi v določeni smeri, to polje označim z vektorjem + E. Kadar pa se električno polje pojavi v nasprotni smeri, to polje označim z vektorjem – E. Predznaka + E ali – E določata smeri delovanja električnega polja. V primeru električnega naboja + Q vektor električnega polja kaže ven iz naboja, pri naboju – Q pa kaže v naboj.

Smer električnega polja ne pomeni pozitivne ali negativne oblike energije. Pojem negativni električni naboj predstavlja miselno past, saj negativni električni naboj lahko napačno razumemo kot negativno vezalno energijo. Pozitivni in negativni električni naboj nimata nič skupnega in ju ne smemo enačiti s pozitivno in negativno obliko energije.

Pozitivna energija ustvarja dinamiko sistema, negativna energija pa z vezalno energijo umirja in povezuje sistem. Pozitivni oziroma negativni električni naboj pa kaže le smer delovanja električnega polja.

Energija nasprotnih nabojev

Sila odbija enaka, privlači pa nasprotna naboja, kot to prikazuje Slika 10. Sile električnih polj lahko ilustriram z dvema nabitima kotvama, kot ju kaže Slika 11.

Slika 11 - Slika prikazuje dve električno nabiti kotvi. Leva je pritrjena, desna pa vrteča se na ležajni osi. Kotvi se privlačita ali odbijata, odvisno od pozicije njunih nabojev.

Leva kotva je trdno vpeta, desna pa je vrteča se. Na osi kotve je vztrajnik. Slika 12 kaže izmenjavo energije med elektrostatično energijo (WE) in kinetično energijo vrteče desne kotve (WK).

Slika 12 - Medsebojno pretakanje kinetične energije WK ter energije električnega polja WE ob vrtenju kotve na Sliki 11.

Kinetična energija zavzema le pozitivne energijske vrednosti, kot to kaže krivulja WK. Energija električnega polja se giblje med pozitivnimi in negativnimi energijskimi vrednostmi, kot to kaže krivulja WE na Sliki 12. Vsota energij je ves čas enaka.

Kadar se približata dva enaka naboja, se odbijata. Kadar pa se med seboj približata pozitivni in negativni električni naboj, se s privlačno silo ujameta drug v drugega, podobno kot se elektron ujame v krožnico atoma. S tem ustvarita vezalno energijo. Odvečno energijo predasta kinetični energiji WK.

Magnetno polje ustvarja le vezalno energijo, električno polje pa lahko ustvari tako pozitivne oblike energij kot negativno vezalno energijo.

Gravitacija

Pozitivna oblika energije ter vezalna energija snovnega delca v okolici delca ustvarjata vsaka svoje energijsko polje. Med masnima delcema posledično delujeta privlačna in odbojna sila:

odbojna sila med polji pozitivnih energij snovnega delca in

privlačna sila med polji vezalne energije v snovnem delcu.

Delčka se med seboj privlačita, ker v snovi prevladuje vezalna energija nad pozitivno obliko energij. Privlačne sile energijskih polj in odbojne sile polj vezalne energije ne zaznamo ločeno. Izmerimo lahko le gravitacijsko silo, to je razliko med njima.

Za pojasnitev gravitacijskega polja ne potrebujemo posebnega delca, na primer gravitona, ki ga omenja fizika. Zadoščajo polja pozitivne in negativne vezalne energije, ki izhajajo iz strukture snovnega delca.

Aktualna fizika prav tako vprašljivo pojmuje gravitacijo kot zakrivljen štirirazsežni prostor (x, y, z, t). Gravitacijsko polje je energijsko polje in ne more biti zakrivljen prostor, ker ima zakrivljen prostor le geometrijske, ne pa energijskih lastnosti.

Gravitacijsko polje lahko opišemo v petrazsežnem prostoru (x, y, z, t, e), kjer prostorskim razsežnostim in času dodamo še peto, energijsko razsežnost, kot to prikazuje Slika 7.

Količina energije vesolja

Nično energijsko stanje prostora lahko pojmujem tam, kjer ne najdem niti snovi niti energijskih polj. Na levi strani Slike 7 prikazana ravnina predstavlja dvorazsežni prostor z nično energijo. Lokalno kot nično energijsko stanje lahko zaznamo tudi sedla krivin na desni strani Slike 7.

Ob padcu elektrona v atomsko lupino nastane toliko energije v obliki fotona kot negativne vezalne energije, kar je pojasnjeno na Sliki 3. Iz nič se ustvarita foton in vezalna energija. Prostor s padcem elektrona v atomsko lupino ustvari novo prepoznavno danost. Od nastanka vesolja sta v procesih, ki jih v celoti ne poznamo, podobno nastajali energija in vezalna energija. V simetričnih procesih ves čas razvoja vesolja nastaja ravno toliko pozitivnih oblik energije kot vezalne energije.

Med snovnimi telesi prevladuje privlačna sila, kar kaže, da snovno telo vsebuje več negativne vezalne energije kot pozitivnih oblik energij. Gravitacijska sila je šibka, kar pomeni, da je količina pozitivnih oblik energij v snovi dokaj izenačena s količino negativne vezalne energije, vendar nista povsem enaki.

V vesolju opažamo tudi sevanja. Prosta energija v obliki sevanj (svetlobe) lahko predstavlja tisti manjkajoči del energije, ki v snovi povzroča prevlado vezalne energije in iz prevlade vezalne energije izhajajočo privlačno gravitacijsko silo.

Snov vesolja je lahko nastala iz praznega prostora, po načrtih, kot jih prepoznavamo v naravnih zakonih. Prazen prostor se je cepil v energijo in vezalno energijo. Celotna količina energije v vesolju, to je vsota pozitivnih oblik energij in vezalne energije, je bila v vesolju lahko enaka nič pred nastankom vesolja, ves čas razvoja vesolja in je lahko nič še danes. Vesolje temelji na uravnoteženi količini pozitivnih oblik energij s količinami negativnih vezalnih energij.

Masa

Masni delec se s svojo maso upira pospešku. Newton je ugotovil, da se masni delec upira pospeševanju s silo, ki je enaka F = m · a (sila je masa krat pospešek). Izvor mase je sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja raziskoval angleški fizik Peter Higgs. Razmišljal je, da se masni delec nahaja v energijskem polju, ki mu ustvarja maso tako, kot to prikazuje Slika 13. Energijsko polje z zakasnitvijo sledi masnemu delcu in ga s tem ovira pri pospeševanju.

Angleški fizik David Miller je Higgsovo misel razvil v naslednje razmišljanje: »Če masa teles izhaja iz Higgsovega energijskega polja okrog masnih teles, potem mora masno telo vsebovati Higgsove delce.« Tako Higgs kot Miller sta iskala neko energijsko polje, ki naj bi bilo izvor mase.

Za pojasnitev mase ne potrebujemo Higgsovega delca. Energijsko polje okrog delca, ravno takšno, kot sta ga iskala Higgs in Miller, ustvarjata v snovi vsebovana energija in vezalna energija.

Mirujoč masni delček obdaja energijsko polje v obliki krogle, kot to prikazuje Slika 5. Ko masni delček pospešim, energijsko polje z zamikom sledi delčku, zato se polje razpotegne, kot kaže leva stran Slike 13.

Slika 13 - Pospeševanje energijske singularnosti povzroči njen izmik iz lastnega energijskega polja.

S pospeševanjem se delček izmakne iz sredine svojega energijskega polja, ki ga ustvarja v svoji okolici s svojo energijo in z vezalno energijo. Energijsko polje se na sunek sile in odmik masnega delčka iz središča energijskega polja odzove na dva načina:

energijsko polje na delček deluje z nasprotno silo, ki skuša delček obdržati v središču energijskega polja,

hkrati energijsko polje začne postopno slediti novi lokaciji delčka.

Desna stran Slike 13 prikazuje shematski prikaz izmika delca iz energijskega polja. Delec se izmakne iz središča energijskega polja, obenem pa se pojavi sila, ki skuša delec zadržati v sredini energijskega polja. Sila deluje tako na delec kot na njegovo energijsko polje.

Tako masni delec kot njegovo energijsko polje se lahko upirata pospešku, ker imata vsak svojo maso. Če energijsko polje delca ne bi imelo mase, se ne bi moglo upirati sili. Polje bi se hipno in brez upiranja razporejalo okrog masnega delca v obliki krogle. Vsako energijsko polje se upira pospeškom, ker ima svojo maso.

Pozitivna energija snovnega delca ter njegova vezalna energija okrog snovnega delca ustvarita vsaka svoje energijsko polje. Polji sta avtonomni in vsako zase prispeva svoj del k ustvarjanju mase snovnega delčka. Obe polji, vsako zase, ovirata pospeševanje delca.

Pri masi se učinka sil obeh polj seštevata. Pri gravitaciji je drugače: energijsko polje ustvarja odbojno, polje negativne vezalne energije pa privlačno silo.

Energijski polji pozitivne energije, vsebovane v snovnem delcu, in vezalne energije sta torej tisti polji, ki sta ju kot osnovo masnega delca slutila že fizika Higgs in Miller.

Nihanja in valovanja

Pojma nihanje in valovanje ločujem, čeprav ju včasih razumemo kot sopomenki za isti pojav. Valovanje pomeni, da se nov val ustvari naprej od predhodnega vala, zato val potuje. Nihanje pomeni, da val niha okrog iste točke tako, da se vrača nazaj na staro mesto. Nihalo ure niha naprej in nazaj okrog iste točke, morska val valuje in potuje.

Praviloma nihajo naprej in nazaj okrog iste točke sistemi, v katerih prevladuje negativna vezalna energija. Sistemi, kjer prevladuje pozitivna oblika energije, pa ustvarjajo potujoče valove.

Elektromagnetna nihanja in valovanja

Elektromagnetno (EM) polje je fizično polje, ki ga sestavljata električno in magnetno polje. Električno polje nastane v okolici električnih nabojev, magnetno pa je posledica gibanja električnih nabojev. Pri EM-poljih se obe polji prepletata in sta vzrok drugo drugemu.

Za uvod naj izpostavim še nekaj že omenjenih lastnosti energijskih polj, ki so ključne za oblikovanje EM nihanj oziroma valovanj. Prostor opisujejo koordinate x, y, z. Matematiki prostor dojemajo kot temeljna danost, ki ga določajo matematični aksiomi. Teh temeljnih danosti prostora ne moremo podrobneje razgrajevati. Trem razsežnostim prostora lahko dodamo še dve razsežnosti e in t tako, da prostor opišemo z koordinatami x, y, z, e, t, kjer t predstavlja čas, e pa energijsko polje posamezne točke prostora. Tudi razsežnosti e in t, moramo privzeti kot fizikalna aksioma, kot danosti vesolja.

Vrednostmi energijskih polj e v koordinatah prostora x, y, z usklajuje sila. Sila prerazporeja energijo po prostoru in s tem spreminja energijske gostote v prostoru.

Energijsko polje e ima lahko pozitivne ali negativne energijske vrednosti. Energijska polja pozitivnih energij se med seboj odbijajo, energijska polja negativnih energij pa se med seboj privlačijo. Če si zamislimo nekaj točk prostora, v katerih prevladuje energijsko polje pozitivnih energij, se bodo ta polja med seboj odbijala. Ča pa si zamislim nekaj točk prostora, kjer prevladuje negativna oziroma vezalna energija, pa se bodo te točke med seboj privlačile. Sile med točkami polj vezalne energije ta polja krči v singularnost. Tako polja pozitivnih energij, kot polja negativnih energij niso obstojna. Entropija ju izniči.

Kaj pa se dogodi, če se na isti lokaciji na istem krogu na Sliki 28 pojavi polje pozitivne energije in polje negativne energije. Polji naj bosta med seboj povezani v skupni energijski krog na vrhu slike. Polje pozitivnih energij skuša obseg kroga povečati, polje vezalne energije pa obseg polja zmanjšati. Ravnotežje obeh sil ustvari obstojno energijsko tvorbo, določenega premera. Taka obstojna energijska tvorba, ki seveda niha, predstavlja osnovni model EM nihanj in valovanj.

Električno polje praviloma ustvarja pozitivne oblike energij EM nihanj oziroma valovanj, magnetno polje pa negativno vezalno energijo. EM polja torej ni možno ustvariti bodisi brez polj pozitivne energije, kot tudi ne brez polj negativne vezalne energije.

Prostostne stopnje nihanj in valovanj

Nihalo ure si med seboj izmenjuje kinetično energijo, ki izhaja iz hitrosti nihala, in potencialno oziroma vezalno energijo, ki izhaja iz odmika nihala iz ravnotežne lege. Pri EM-valovanju se med seboj prepletajo tri oblike energij: energija električnega polja, energija magnetnega polja ter premikalna energija.

Premikalna energija se v literaturi omenja tudi kot premikalni tok in kot Poyntingov vektor.

Premikalni tok je vpeljal Maxwell leta 1860. To je tok, ki ni posledica potovanja električnega naboja, ampak rezultat dinamičnih sprememb električnega in magnetnega polja.

Poyntingov vektor v EM-valu določa smer in gostoto energijskega toka (E x B) v W / m². Leta 1884 ga je vpeljal John Henry Poynting.

Navedena pojma za potrebe opisa EM-nihanj in valovanj razširim v pojem premikalna energija WP. V opisu se osredinjam na energijsko dogajanje, zato pojem premikalni tok ne zadošča, ker govori o električnem toku, ki je sicer nosilec energije, sam zase pa ne predstavlja energije. Tudi pojem Poyntingov vektor preozko opredeljuje premikalno energijo, saj govori o premikalni energiji EM-vala, ne pa o premikalni energiji EM-vozla. EM-vozli so opisani v nadaljevanju.

Ne glede na razlike vsi trije pojmi podobno opisujejo isto danost. Vsem trem veličinam je skupno, da so vektorske veličine in da vektorji premikalnega toka, Poyntingovega vektorja in premikalne energije kažejo v isto smer. Z različnimi, vendar podobnimi pojmi opisujejo tretjo komponento EM-valovanj oziroma EM-nihanj.

EM-polja valujejo ali nihajo, pri čemer si med seboj izmenjujejo energiji električnega in magnetnega polja ter premikalno energijo. Te tri energije sestavljajo celokupno energijo EM-vala.

Električno in magnetno polje ter premikalna energija so si med seboj pravokotni vektorji. Prikazuje jih Slika 14.

Slika 14 - V EM-nihanjih in valovanjih so vektorji električnega in magnetnega polja ter premikalne energije med seboj pravokotni.

Kadar si med seboj izmenjujejo energijo tri energijske komponente namesto dveh, ima tako valovanje oziroma nihanje večji nabor možnih oblik nihanj. Pri nihalu na vrvici na primer utež lahko niha naprej in nazaj ali kroži po elipsi ali krožnici. Če pri nihalu vrvico zamenjamo z vzmetno, si energijo izmenjujejo kinetična energija uteži, potencialna energija uteži in prožnostna energija vzmeti. S tem nihalo dobi možnost novih prostorskih oblik nihanj. Podobno tudi EM-polje z izmenjavo treh oblik energij ustvarja pestre oblike valovanj in nihanj.

EM-val

Diagram na Sliki 15 prikazuje sočasno nihanje električnega in magnetnega polja EM-vala, kot ga opisujejo Maxwellovi zakoni. Podrobno so Maxwellovi zakoni opisani v zadnjem poglavju.

Slika 15 - Diagram EM-valovanja. Zgoraj sta nihanji električnega in magnetnega polja, spodaj pa energije teh polj.

Gornji diagram na Sliki 15 daje skromno prostorsko predstavo o EM-valu, zato jo skušam dopolniti. Magnetno polje se v vseh okoliščinah pojavlja v obliki obroča oziroma torusa. Zaokrožuje se samo vase. Magnetno polje to svojo obliko prenaša tudi na obliko EM-vala. EM-val po prostoru potuje v obliki obroča (torusa, cevčice), ki jo prikazuje Slika 16.

Električno polje, kot naslednji sestavni del EM-vala, je pravokotno na magnetno polje, kot to kaže diagram na Sliki 14. Obe polji sta pravokotni na premikalno energijo, kot to prikazuje Slika 16. Premikalna energija (premikalni tok) teče v smeri gibanja EM-vala.

Slika 16 - Struktura in oblika magnetnega in električnega polja ter premikalne energije v EM-valu.

EM-val oblikujejo sile, ki delujejo med energijskimi polji električnega in magnetnega polja, ter premikalne energije. Privlačna sila vezalne energije magnetnega polja krajša premer magnetnega kolobarja.

Električno polje v magnetnem kolobarju niha med pozitivnimi in negativnimi vrednostmi tako, da imajo v opazovanem trenutku vse točke na kolobarju enako vrednost električnega polja. Električno polje zato med seboj odbija točke magnetnega kolobarja. Z odbojno silo električno polje ne dovoli manjšanja obsega magnetnega kolobarja v nedogled. Pri določenem obsegu kolobarja magnetnega polja se ustvari ravnotežje med privlačno silo magnetnega polja in odbojno silo električnega polja, s tem pa se oblikuje stabilna oblika EM-vala.

V EM-valu ima vsaka od treh komponent energije svoj namen. Magnetno polje z vezalno energijo ustvari privlačno silo, ki zagotavlja ujetost EM-vala v obliki cevi določenega premera in preprečuje razširjanje EM-vala levo in desno po prostoru. Električno polje je nosilec pozitivne energije in na polje deluje z odbojno silo. Premikalna energija pa določa smer in hitrost gibanja EM-vala.

EM-val je energijsko stabilna, kompaktna in volumsko zaokrožena tvorba energijskih polj, ki na poti ne seva energije iz smeri svoje poti. Strukturo EM-vala si lahko predstavljamo kot cev določenega in na vsej poti konstantnega premera, ki ščiti in lokalizira v njej med seboj pretakajoča se polja. Matematični opis oblike EM-torusa je še odprta naloga fizike.

Nihanje EM vala

Opazujem smet, ki se pozibava na vodnem valu. Smet ne potuje z valom. Vodni val smet dviguje in spušča navpično gor in dol. Podobno kot smet menja svojo lego, se v EM valu povečuje in zmanjšuje električno in magnetno polje. Kako hitro se v neki točki spreminja električno polje, označimo z dE/dt. Z dB/dt pa označimo, kako hitro se v neki točki spreminja magnetno polje.

Smet se tekom dvigovanja in spuščanja nahaja na različnih naklonih (strminah) vodnega vala. Tudi električno polje v EM valu ustvarja naklone električnega polja tako, da od točke do točke najdemo različne jakosti električnega polja, kar označim z Rot E.

Označba dE/dt časovno določa, kako hitro se v opazovani točki spreminja električno polje, Rot E pa določa, kakšne so električne poljske jakosti okrog opazovane točke. Maxwell je širjenje EM valovanja opisal v matematični obliki.

Prepletanje energij električnega in magnetnega polja ter premikalne energije prikazuje spodnji diagram na Sliki 15. Energija električnega polja (WE) predstavlja pozitivne energijske vrednosti in niha nad vodoravnico, skladno z lastnostmi električnih polj. Magnetno polje se v EM-valu pojavlja v negativni energijski obliki (WB). Krivulja je zato narisana pod nično energijsko vrednostjo. Diagram pa prikazuje še premikalno energijo (WP), ki v tem primeru niha nad nično energijsko vrednostjo.

Premer cevi EM-vala je lahko večji ali manjši, odvisno od vsebovane energije EM-vala, kot to kaže Slika 17.

Slika 17 - EM-valovi (magnetni torusi) se lahko združujejo v toruse večje energije in s tem v toruse večjega premera.

Kadar se med seboj zbližata in dotakneta dva EM-vala enakih frekvenc, enakih faz in podobnih smeri, se združita v večji in energijsko bogatejši EM-val. Dva EM-vala na levi strani Slike 17 se združita v skupni val, prikazan na desni strani iste slike.

EM-val glede na vsebovano energijo zvezno spreminja svoj premer in vsebovano energijo, brez energijskih skokov (fotonov). Sile, ki delujejo znotraj EM-vala, ohranjajo konstantno amplitudo električnega in magnetnega polja, kot je pojasnjeno v nadaljevanju.

Planck je meril energijo EM vala tako, da je s pomočjo svetlobe izbijal elektrone iz atomske lupine. Na atom je posvetil s tako frekvenco svetlobe, ki ni izbila elektronov iz atomske lupine. Nato je povečal svetlost žarka, ni pa spreminjal frekvence svetlobe. Svetloba elektrona kljub večji svetlosti ni izbila elektronov iz atomske lupine. Elektron je iz atomske lupine izbil le z višanjem frekvence svetlobe. Izmeril je, da na izbijanje elektrona iz atomske lupine vpliva le frekvenca svetlobe, ne pa tudi svetlost žarka.

Svetloba je enako uspešna pri izbijanju elektronov iz atomske lupine, če je njen izvor na Zemlji ali daleč v vesolju. Celo več, če neko verigo EM valov na polprepustnem ogledalu razcepimo na dvoje, opažamo, da EM val ohranja zmožnost zbijanja elektronov v eni in drugi smeri.

Einstein je prišel na idejo, da bi EM val lahko vseboval kvante svetlobe, ki jih fizika imenuje fotoni. Menil je, da je energija svetlobnih kvantov sorazmerno njegovi frekvenci. Raziščimo torej povezanost energije EM vala z energijo fotona. Energija fotona je določena z enačbo W = h · f , kjer je h Planckova konstanta, f pa frekvenca EM vala.

Energija radijskega EM vala

Primerjam energijo fotona z energijo radijskega EM vala. Domžalski srednjevalovni oddajnik oddaja moč v razredu 100 kW pri frekvenci približno 1 MHz. Oddajnik odda milijon EM valov v sekundi, kar pomeni, da je energija enega EM vala v razredu 0,1 džula. Energija fotona po Planckovem zakonu W = h · f pri frekvenci 1 Mhz je 6,6 · 10⁻³⁴ · 10⁶ = 6,6 · 10⁻²⁸ džula. En EM val domžalskega oddajnika vsebuje torej 10²⁷ fotonov.

Fotoni v EM valu pri izbijanju elektrona med seboj ne sodelujejo. Če vržem kamen v steklo, pri razbijanju le-tega s svojo maso sodelujejo vse molekule kamna. Če svetloba zadene v elektron, pa fotoni delujejo nepovezano. Če en foton ne more zbiti elektrona iz atomske lupine, mu pri tem sosednji fotoni ne pomagajo.

Fotoni visokih frekvenc

Foton vidne svetlobe je sposoben izbiti elektron iz zunanje atomske lupine nekaterih elementov. Vidna svetloba ima frekvenco v razredu 10¹⁵ Hz. Opažamo tudi višje frekvence EM valovanja, ki dosežejo preko 10²⁰ Hz. Fotoni visokih frekvenc bi morali po Planckovem zakonu imeti milijon krat več energije kot fotoni vidne svetlobe. To pa so tako velike energije, da bi izbile elektrone tudi iz nižjih atomskih lupin. Elektroni bi se po zbitju kaskadno vračali na izpraznjene atomske lupine in pri tem oddajali fotone vidne svetlobe. Ko bi EM valovi visokih frekvenc, in po Plancku tudi visokih energij obsijali snov, bi ta morala zažareti. Ko bi na primer človeka obsijali z rentgenskimi žarki, bi moral ta del telesa svetiti, vendar se to ne zgodi.

Zakaj z EM žarki visokih frekvenc obsijana snov ne zasveti lahko opazimo na osnovi meritev, opisanih na primer v članku Wikipedije »Mass attenuation coefficient«. Članek opisuje, da fotoelektrična absorpcija na področju rentgenskih žarkov z večanjem frekvence pada, kar pomeni, da imajo višje frekvence svetlobe manjšo sposobnost izbijanja elektronov, kot nižje frekvence.

Planckov zakon torej ne določa energije fotona na celotnem frekvenčnem področju. Na področju visokih frekvenc meritve ne potrjujejo Planckovega zakona. To pa zahteva, da se podrobneje poglobimo v raziskovanje lastnosti fotona.

Elektron v prostranstvih EM vala

Primerjam velikost elektrona z velikostjo EM vala. Valovna dolžina EM vala vidne svetlobe je v velikostnem razredu od 10⁻⁶ m. Velikost elektrona je manjša od 10⁻¹² m. EM val vidne svetlobe je torej zelo zelo velik v primerjavi z elektronom.

EM val in elektron ustvarjata vsak svoje električno in magnetno polje. Ob preletu elektrona skozi EM val njuni polji vplivata drugo na drugo. Elektron je majhen, zato s svojim poljem le na neznatnem območju zelo lokalno zmoti električno in magnetno polje EM vala. Radijski val domžalskega oddajnika je energijsko močan, vendar s sunkom sile le šibko deluje na elektron, ker je le neznaten del EM vala v stiku z elektronom.

Kadar atom preleti statično električno ali magnetno polje, ne opazimo izbijanja elektronov iz atoma. Elektroni prejmejo izdatno energijo predvsem od premikalnega toka EM vala.

Premikalni tok določa Rot E oziroma dB/dt EM vala. Rot(E) je naklon (klanec) električnega polja EM vala. Če se na tem ‚klancu‘ znajde električno polje elektrona, se med poljema ustvari sila, ki razdvaja elektron od EM vala. Sila med električnim poljem EM vala in elektronom se linearno povečuje z naklonom električnega polja Rot(E). Rot(E) pa je enak premikalnemu toku. Sila EM polja na elektron je torej proporcionalna premikalnemu toku.

Elektron in EM val se lahko naključno srečata na mnoge načine. Posledično EM val na elektron deluje z naključno silo v naključni smeri in le nekatere oblike srečanj so sposobne izbiti elektron iz atomske lupine. Zanimive so tiste oblike trkov med elektronom in EM valom, ki ustvarijo največjo silo za zbitje elektrona iz atomske lupine.

Premikalni tok (dB/dt), ki izbija elektron, je odvisen od amplitude magnetne gostote (B) in frekvence EM valovanja. Magnetna gostota EM vala niha sinusno (b = B · sin(ωt)). Odvod sinusne funkcije pri majhnih kotih je enak odvodu kota (d(sin(ωt))/dt = d(ωt)/dt = ω).

Majhni koti ωt so zanimivi zato, ker EM val izbije elektron pod pogoji, ko je dB/dt največji, to pa je pri majhnih kotih ωt. Posledično amplitudo premikalnega toka, ki ga določa dB/dt, lahko zapišemo v obliki I = k₁· B · ω. Konstanto k₁ določa oblika atoma in naboj elektrona, B je amplituda magnetne gostote EM vala. ω je kotna hitrost valovanja EM vala.

Električni tok v splošnem ustvarja moč, ki je proporcionalna kvadratu električnega toka (P = k · I²). Posledično moč premikalnega toka, ki deluje na elektron lahko zapišemo v obliki P = k₃ · B² · f². Energija, ki jo elektron prejme od EM vala je W = P · t. Čas t je čas, v katerem premikalni tok deluje na elektron. Čas t = 1/f čemur sledi:

W = k₃ · B² · f

Energija EM vala na elektron se povečuje linearno s frekvenco EM vala, enako kot se povečuje energija fotona s frekvenco v Planckovem zakonu.

W = h · f

Primerjam enačbo za energijo svetlobnega vala EM vala W= k · B² · f in Planckovo enačbo W = h · f. Izenačitev energije lahko zapišemo takole h · f = k · B² · f . Enačbo delimo k · f ter dobimo B² = h/k . Parametra h in k sta konstanti kar kaže na to, da sta enačbi združljivi le pri konstantam B za vse frekvence EM vala.

Če bi se magnetna gostota EM vala B spreminjala z oddaljenostjo od vira, bi bila uspešnost izbijanja fotonov odvisna od oddaljenosti med virom svetlobe in atomom oziroma elektronom, ki ga EM val izbija.

Primerjava obeh enačb energije, ki jo prejme elektron od EM vala, kaže, da je amplituda magnetne gostote EM valovanj konstantna za vse frekvence, kot kaže Slika 18.

Slika 18 - Planckov zakon velja v primeru, kjer je amplituda magnetne gostote EM valovanj konstantna za vse frekvence.

Slika 16 ilustrira, zakaj je amplituda magnetne gostote EM vala vedno enaka za vse valovne dolžine EM vala. Privlačna sila vezalne energije magnetnega polja krajša premer magnetnega kolobarja. Električno polje v magnetnem kolobarju med seboj odbija točke magnetnega kolobarja. Ravnotežje obeh sil vzpostavi tako geometrijsko obliko kolobarja EM vala na Sliki 16, ki ima v vseh razmerah enako amplitudo gostote magnetnega polja. Imenujem jo kvantna amplituda magnetne gostote EM valovanj.

Energija EM vala visokih frekvenc

Za zbitje elektrona iz atomske lupine morata biti izpolnjena dva pogoja:

Sila EM polja na elektron mora biti večja od privlačne sile elektrona na atom in

energija, ki jo elektron prejme od EM vala mora biti večja od vezalne energije elektrona v atomu.

F = k₂ · B · f (konstanta krat premikalni tok)

Navedeni enačbi za silo in energijo, s katero EM val deluje na elektron, veljata v razmerah, kjer energija EM polja izdatno presega vezalno energijo elektrona. V tem primeru elektron neznatno zmoti magnetno gostoto EM vala in njegov premikalni tok.

V primeru, kadar je vezalna energija elektrona primerljiva z energijo EM vala, elektron posrka precejšen del magnetne energije EM vala. S tem elektron zmanjša magnetno gostoto EM vala, s tem pa tudi njegov premikalni tok. Manjši premikalni tok ustvari manjšo silo na elektron.

EM val elektronu lahko preda le vso svojo energijo in nič več. Če EM val ne vsebuje dovolj energije, če EM val vsebuje manj energije od vezalne energije elektrona v atomu, ne more zbiti elektrona iz atomske lupine.

Pri višjih frekvencah je EM val prostorsko manjši in zato ob konstantnem B z večanjem frekvence vsebuje vse manj energije. Do kakšne faze se EM valu ob srečanju z elektronom sesede EM polje, je odvisno od prostorskih dimenzij EM vala. Volumen EM vala se zmanjšuje približno s tretjo potenco valovne dolžine oziroma frekvence. Pri visokih frekvencah EM val na elektron lahko prenese le W = k₃ · B² · f/f³ energije, to je W = k₃ · B²/f², to pa je toliko, kot jo kažejo meritve
fotoefekta pri x-žarkih.

W = k₃ · B²/f²

Slika 19 - Fotoni le določenega frekvenčnega območja lahko izbijejo elektron.

Enačbi energije EM vala pri nizkih frekvencah W = k₃ · B² · f in pri visokih frekvencah W = k₃ · B²/f² bo morala znanost na osnovi meritev povezati v eno skupno enačbo, ki bo veljala na celotnem frekvenčnem področju.

Na osnovi opisanih enačb lahko zaključimo: Pri majhnih frekvencah zaradi majhnega Rot E EM val ustvari premajhno silo na elektron za zbitje elektrona iz atomske lupine. Sila s katero je elektron vezan na atom je večja od sile EM vala na elektron. Pri majhnih frekvencah EM vala Planck torej ni opazil izbijanja elektronov. Z večanjem frekvence EM vala se Rot E in s tem sila na elektron povečuje, kar omogoča izbijte elektrona. Pri visokih frekvencah EM vala pa je vezalna energija elektrona na atom večja od energije, ki jo elektronu s sunkom sile posreduje EM val. Zato imajo visoke frekvence manjšo sposobnost izbijanja elektrona kot vidna svetloba.

Obstaja pa razlika v razumevanju enačb W = f · h in W = k · B² · f. V Planckovi enačbi energijo fotona razumemo kot najmanjši delček svetlobe. Enačba se nanaša le na svetlobo, ne pa hkrati tudi na lastnosti elektrona. V enačbi W = k · B² · f pa pojem energije ni vezan le na lastnost svetlobe. B in f sta vezana na lastnosti svetlobe, k pa določa snovne lastnosti elektrona, to je njegov naboj, obliko krožnice v atomu in njegovo vezalno energijo.

Delovanje sile na elektron si ponazorim še s primerom. Ko gibajoč elektron zaide v magnetno polje, le-to nanj deluje s silo. Na elektron in magnetno polje lahko gledamo tudi iz drugega zornega kota, da elektron miruje, spreminja oziroma giblje pa se magnetno polje. Tudi v tem primeru na elektron deluje sila, na primer sila EM vala. Sila v EM valu elektron odriva podobno, kot vodni val deluje na surf.

Volumska zaokroženost EM vala

Oblika EM vala na Sliki 16 ter v vseh razmerah enaka amplituda magnetne gostote magnetnega kolobarja EM vala pa ustvarjata volumsko zaokroženost EM vala. EM val se ne razširja na primer na način kot vodni val, ampak v obliki volumsko zaokrožene tvorbe EM vala, kot jo prikazuje Slika 16, kot volumsko nesprejemljiv paket energije potuje po prostoru. Gostota energije se z oddaljenostjo od vira svetlobe seveda zmanjšuje, vendar ne na način, da bi se spreminjala energijska struktura posameznega EM vala, ampak na način, da se povečuje razdalja med posameznimi EM valovi, vmes pa ni EM polja.

Slika 20 - Poskus Thomasa Younga kaže, da EM val pri potovanju skozi prostor ne spreminja svoje prostorske oblike.

Ohranjanje geometrijske zaokroženosti (velikosti) EM valov na njegovi poti potrjuje poskus, ki ga je Thomas Young izvedel v začetku 19. stoletja. Poskus kaže, da EM val skozi prostor potuje kot prostorsko zaokrožena energijska tvorba, podobno kot delček. Ko je Young spustil svetlobo skozi ozko režo, je na zaslonu za režo opazil ozek snop svetlobe. Prikazuje ga Slika 20. EM val ima torej energiji pripadajočo velikost in obliko, podobno kot jo ima snovni delec.

Energijska rekonstrukcija EM valov

Svetloba na poti zadeva v prašne delce ali druge ovire, ki energijsko osiromašijo EM valove. Tako energijsko osiromašenje se odrazi v zmanjšani velikosti EM vala, prikazani na Sliki 17. Različne energije EM valov ustvarjajo EM valove z različnim premerom kolobarja magnetnega polja. Sile znotraj EM vala poskrbijo, da se ohranja kvantna amplituda magnetne gostote EM valov na račun zmanjšanja velikosti EM vala.

EM val izgublja energijo tako, da se mu zmanjšuje velikost (premer), amplituda magnetne gostote vala pa se ohranja. Tak EM val z ohranjanjem magnetne gostote ohranja neokrnjeno sposobnost izbijanja elektrona iz elektronske lupine. Pojem foton kot kvant svetlobe je odvečen, ker se površina EM vala zmanjšuje zvezno, ob tem pa s svojo konstantno magnetno gostoto ustvarja vedno enak učinek pri izbijanju elektronov iz atomske lupine.

EM val mnogokje doživlja energijska osiromašenja. Na dnu oceanov ni svetlobe. EM val s prodiranjem skozi vodno plast izgublja svojo energijo. Izgublja jo tako, da EM val zmanjšuje svoj premer. Ne spreminja pa se mu amplituda magnetne gostote dokler EM val energijsko toliko ne oslabi, da preprosto izgine.

EM valovi so podvrženi energijskim osiromašenjem tudi v okoljih velike gravitacije. Kadar svetlobni val skuša zapustiti nebesno telo, gravitacijska sila ovira EM val pri dvigovanju iz gravitacije. EM val gravitacijo premaguje s silo na poti, pri čemer izgublja svojo energijo. EM valu ne uspe uiti iz črne luknje, ker za dvigovanje iz gravitacije porabi vso svojo energijo in se posuši, preden bi zapustil črno luknjo. EM valovom, ki pa jim uspe pobegniti z nebesnih teles z veliko gravitacijo, pa se jim ne zmanjša kvantna amplituda magnetne gostote EM valov.

Kvantna fizika je pogosto predstavljena kot nekaj težko razumljivega, čeprav gre v primeru EM valovanja zgolj za težnjo narave k čim manjšemu energijskemu stanju električnega in magnetnega polja ter premikalnega toka, ki jo ustvarja na osnovi uravnoteženja notranjih sil. Podobne načina ustvarjanja kvantizacije lahko pričakujemo tudi na področju jedrske fizike.

Meritev dolžine koherentne verige EM valov

V sončni svetlobi opazimo dolge verige EM valovanj, ki so medsebojno koherentno povezane. Dolžine koherentnih EM valov lahko merimo.

Kadar se na mokri površini znajde oljni madež, se svetloba odbija v obliki barvne mavrice. Odboj svetlobe se pojavlja tako na vrhu oljne plasti kot tudi na spodnji strani oljne plasti. Kadar je debelina plasti olja mnogokratnik valovne dolžine svetlobe, se na gornji plasti oljnega madeža srečata in koherentno povežeta oba odboja, kar krepi določeno valovno dolžino (barvo) svetlobe.

Odboj svetlobe na oljnem madežu omogoča merjenje dolžine koherentne verige EM valov. Z večanjem debeline oljne plasti se intenzivnost mavričnega odboja zmanjšuje. Koherentne verige EM valov postajajo prekratke, da bi se na vrhu oljnega madeža srečal začetek in konec koherentne verige istega vala. Tista debelina oljne plasti, pri kateri ravno še opazim skromne ostanke mavričnega odboja, predstavlja polovico dolžine najdaljših koherentnih EM valov, ki vpadajo na oljno plast.

Merjenje premera EM vala

Svetlobni EM val na Sliki 16 ima lahko večji ali manjši premer, kot to prikazuje Slika 17. Površino EM vala lahko meri Youngov poskus z dvojno režo. Shema meritve je prikazana na Sliki 21.

S svetilom posvetim na zaslon z dvema vzporednima režama.

Ko je Young svetlobi omogočil hkratno pot skozi obe reži, je na zaslonu poleg dveh glavnih lis opazil še stranske lise, kot to prikazuje Slika 21.

Slika 21 - Ko svetlobi omogočimo hkratno pot skozi dve reži, na zaslonu poleg dveh glavnih lis opazimo še stranske lise.

Ko EM valovi potujejo skozi režo, bolj ali manj oplazijo rob reže. Na robu reže se EM val popači. Popačeni, razbiti in energijsko oslabljeni EM valovi iz reže odletijo v različne smeri. Kljub zadevanju EM valov v rob reže, pa osnovni žarek ob primerni velikosti reže ostaja energijsko še vedno močan in svetel, kot to kaže Slika 21.

Slika 22 - EM val iz reže A prehaja skozi EM val iz reže B. EM vala se gibljeta drug skozi drugega. Ob prehodu pride med njima do medsebojne izmenjave energije.

Energijsko osiromašeni EM valovi prve reže, na Sliki 22 označeni črtkano, prehajajo skozi energijsko bogate EM valove druge reže, skozi žarek B. EM valovi se gibljejo drugi skozi druge. Ob prehodu enih EM valov skozi druge pride med njimi do koherentnih povezovanj in medsebojne izmenjave energije. Energijsko siromašne verige EM valov iz reže A se energijsko okrepijo, energijsko bogate verige EM valov iz reže B pa izgubijo del energije.

Slika 23 - EM vala A in B po srečanju ne ohranjata enake energije, ki sta jo imela pred srečanjem.

Slika 23 kaže po energiji in svojem premeru manjši EM val, ki izhaja iz reže A in po energiji in premeru večji EM val iz reže B. Njuno srečanje na osnovi koherentnega povezovanja ustvari turbulentni EM val nepravih oblik, ki je energijsko bogatejši od vstopnih EM valov in je narisan v sredini slike. Nastale turbulence ob srečanju v nadaljevanju EM val lahko ponovno raztrgajo, tudi tako, da se EM val v smeri A ojači na račun zmanjšanja energije EM vala v smeri B.

Ni pa nujno, da se valova po srečanju raztrgata. V primeru srečanj dovolj usklajenih EM valov, koherentne sile ta dva vala lahko trajno povežejo v skupni in povezan EM val.

Črte na zaslonu Youngove meritve kažejo, da se EM valovi iz reže A okrepijo na račun energije žarka B. Stranske črte na Sliki 21 kažejo, da EM valovi ustvarjajo koherentne povezave in si ob srečanju izmenjujejo energijo le kadar so faze enega in drugega vala dovolj usklajene.

Na izmenjavo energije med žarkoma A in B ne kažejo le stranske črte, temveč tudi zmanjšana energija osnovnega žarka B. Meritve kažejo energijsko oslabitev žarka B, kadar se ta srečuje z energijsko šibkimi EM valovi iz reže A.

Youngov poskus omogoča merjenje površine EM valov

EM val za režo lahko interferira v obliki prikazanih črt na Sliki 21 le v primeru, kadar ima EM val dovolj velik premer, da isti EM val hkrati vpade na obe reži. V poskusu Thomasa Younga morata biti reži dovolj blizu druga drugi, da del istega EM vala preide skozi eno režo in del tega EM vala tudi skozi drugo režo. Le na vhodu fazno usklajeni EM valovi se na drugi strani reže povezujejo v obliki prikazanih stranskih črt.

Kadar sta reži preveč razmaknjeni, bolj od premera EM vala, ju isti EM val ne more zaobjeti. V takih primerih ne opazimo značilne interference, ki jo prikazuje Slika 21.

S tem pa Youngov poskus nudi možnost merjenja premera EM valov. Večja, kot je razdalja med režama, manj EM valov hkrati zaobjame eno in drugo režo in manj izrazite so stranske črte. Razdalja med režama, pri kateri opazimo medle obrise stranskih črt, predstavlja največji premer opazovanih EM valov.

Na oljnem madežu lahko merimo dolžino koherentne verige EM valov, z Youngovem poskusom pa lahko merimo premer EM valov v koherentni verigi. Merimo torej velikost koherentnih EM valov svetlobe, ki potuje v paketu.

S pojmom koherentni EM val označimo verigo med seboj povezanih EM valov, kot ga prikazuje Slika 24.

Slika 24 - Koherentnemu EM valu lahko merimo velikost, tako dolžino, kot tudi premer.

V besedilu se prepletata pojma EM-val in foton. Foton je v fiziki pojmovan kot osnovni delec, energijski kvant EM-polj. Foton je po opredelitvi točka. Giblje se s svetlobno hitrostjo.

Energija fotona je odvisna od valovne dolžine fotona, pri tem pa foton kot točka nima valovne dolžine. EM-valovi ustvarijo dolge koherentne verige, pri tem pa fotoni med seboj ne sodelujejo. Čudno?

Slabo razumevanje lastnosti EM vala so fiziki reševali z definicijo delca, imenovanega foton. Za definicijo fotona niso imeli opravičila že zato, ker lastnosti fotona ne moremo meriti in ga s tem potrjevati. Dvomljiv je celo Planckov zakon! Vse lastnosti, ki jih pripisujemo fotonu, so lastnosti predstavljivega EM vala, kot merljive danosti.

Foton je opredeljen nejasno, zato se v tem besedilu osredinjam na EM-val, ki je do neke stopnje sopomenka fotonu. V tem besedilu foton občasno omenjam zgolj zaradi razširjenosti in poznanosti izraza. A pomensko se, tudi kadar omenjam foton, nanaša na razumljivejši in predstavljivejši EM-val.

Gibanje EM-vala

Koherentni EM-val lahko narišemo v obliki serije EM valov, to je v obliki serije magnetnih cevčic, kot to kaže Slika 25.

Slika 25 - Pretakanje energije električnega in magnetnega polja v premikalno energijo in nazaj ustvarja gibanje EM-vala.

Električno in magnetno polje leve cevčice na Sliki 25 v smeri Poyntingovega vektorja ustvarita premikalno energijo WP. Električno in magnetno polje EM-vala usahneta po predaji energije premikalni energiji in prepustita tako energijo kot iniciativo premikalni energiji na sredini skice. Premikalna energija v nadaljevanju ustvari desno cevčico električnega in magnetnega polja in ob ustvarjanju desne magnetne cevčice iztroši svojo energijo, kot to kaže diagram na Sliki 15. Desna cevčica enako ustvari naslednjo novo premikalno energijo, ki ustvari naslednjo cevčico električnega in magnetnega polja in proces se nadaljuje. Magnetne cevčice, ki jih na poti ustvarja EM-val, usmerja EM-val v smeri potovanja, brez sipanja energije levo in desno.

EM-val je torej volumsko zaokrožena in od okolice izolirana oblika valovanja električnega in magnetnega polja. Če ni zunanjih motenj EM-val v volumsko konstantni in stabilni obliki potuje po prostoru. Seveda pa lahko naleti na ovire. Taka ovira mu odvzame del energije ne glede na njegovo izoliranost. S tem se energija EM-vala zmanjša in sorazmerno z izgubljeno energijo se zmanjša njegov premer. Ko mu okolica del po del odvzame vso energijo, se premer magnetnega torusa zmanjša na nič in EM-val se izniči.

EM-vozel

Električno in magnetno polje v EM-valu na Sliki 15 nihata sočasno, tako da imata obe hkrati maksimalno in minimalno vrednost. V LC-vezju na Sliki 9 se amplitudi električnega in magnetnega polja izmenjujeta. Električno polje je maksimalno takrat, ko je magnetno polje minimalno, in obratno. Polji nihata s časovnim zamikom π/2.

Električno in magnetno polje v LC-vezju je oblika stojnega vala. Stojni EM-val se lahko ustvari tudi v praznem prostoru, kadar se EM-val odbije od podlage tako, da se vpadni in odbojni val zlijeta skupaj, ustvarita stojni EM-val. Ta ne potuje, ampak niha na mestu. Diagram na Sliki 26 kaže nihanje električnega in magnetnega polja v stojnem EM-valu, ki ustvari obliko EM-vozla.

Slika 26 - Nihanje električnega (E) in magnetnega (B) polja ter nihanje energij električnega (WE) in magnetnega (WB) polja ter premikalne energije (WP) v EM-vozlu.

Vsako stojno valovanje ustvarja vrhove in vozle med njimi. Vrhovi nihajo na isti lokaciji. EM-vozel električno in magnetno polje poveže v klobčič, da dobita obliko torusa na Sliki 27. Tak EM-vozel je lahko prostorsko in energijsko avtonomen in celo nepovezan z drugimi EM-vozli.

Diagram na Sliki 26 prikazuje nihanje električnega in magnetnega polja ter premikalne energije EM-vozla. Magnetno polje časovno zaostaja za električnim za π/2 periode. Energija električnega polja niha v pozitivnih vrednostih, magnetnega polja pa v negativnih energijskih vrednostih. Premikalna energija niha med pozitivnimi in negativnimi vrednostmi, zato premikalna energija (Poyntingov vektor) vsake četrt periode spreminja svojo smer. Izmenično spreminjanje smeri premikalne energije usmerja EM-polje v gibanje enkrat naprej, drugič nazaj. Nihanje premikalne energije naprej in nazaj pa ustvarja razmere za nihanje EM-vozla na mestu.

Oblika EM-vozla

Podobno kot v EM-valu ima tudi magnetno polje EM-vozla obliko obroča oziroma torusa, kot ga kaže Slika 27. Magnetno polje v torusu niha in vsake pol periode zamenja smer. S faznim zamikom π/2 pa v magnetnem torusu niha električno polje. Premikalna energija WP kroži v torusu izmenično naprej in nazaj, kot prikazuje Slika 27. Vektorji E, B in WP so si med seboj pravokotni, podobno kot pri EM-valu.

Slika 27 - Oblika in struktura EM-vozla.

Sila magnetnega polja FB na Sliki 28 na osnovi vezalne energije in pripadajoče privlačne sile krajša dolžino torusa magnetnega kolobarja. Električno polje z odbojno silo skuša povečati obseg magnetnega kolobarja. Električno polje odbija točke magnetnega torusa med seboj, kot to kaže sila FE. Z odbojno silo električno polje ne dovoli poljubnega krajšanja obsega magnetnega torusa. Pri določenem obsegu torusa magnetnega polja se ustvari ravnotežje med privlačno silo FB in odbojno silo FE, s tem pa električno in magnetno polje ustvarita stabilno obliko nihanja EM-vozla oziroma magnetnega torusa.

Nastanek EM-vozla

EM-vozel ima lahko neznatno energijo in vezalno energijo. Energija in vezalna energija vozla sta lahko izenačeni tako, da je skupna energija EM-vozla enaka nič. Enako glede na zakon o ohranitvi energije omogoča, da EM-vozel nastane spontano iz praznega prostora. Prazen prostor ni energijsko umirjen. Prostor energijsko neznatno brbota. Magnetni torus začne nastajati iz neznatnih trzljajev električnih in magnetnih polj. Polji nastalega magnetnega torusa imata neznatni gostoti in posledično neznatni sili FE in FB, ki ustvarjata ‚embrio‘ magnetnega torusa, kot ga kaže gornja skica na Sliki 28.

Slika 28 - Povečevanje lastne energije EM-vozlu zmanjšuje premer in ga podaljšuje v cevčico.

Tak torus je volumsko slabo zaokrožen in tudi še dokaj nestabilen. V takem ‚embriu‘ torusa je zanemarljiva količina energije električnega in magnetnega polja. Skupna količina energije, to je vsota energije in negativne vezalne energije, se neznatno razlikuje od nič. Nastanek ali izginotje EM-vozla oziroma magnetnega torusa zato ne vpliva na energijsko bilanco prostora. V prostoru se stalno pojavljajo, preoblikujejo, obstajajo in tudi izginjajo EM-vozli. EM-vozel nastaja iz naključnih polj, nekaj časa obstaja in potem lahko počasi zamre, lahko pa tudi vztraja in se razvija naprej na osnovi energijskih vplivov iz okolja.

Tak embrio EM-vozla se posledično lahko naključno povečuje ali zmanjšuje. Kadar se neznatni EM-vozli srečajo pod določenimi pogoji, vpadejo drug v drugega. Dva magnetna torusa (EM-vozla) se združita podobno, kot vpade elektron v atomsko lupino. S tem se ojača njuno električno in magnetno polje. Večji gostoti polj pa ustvarita večji sili FE in FB in že stabilnejši magnetni torus. Torus se energijsko zgosti in volumsko zmanjša tako, kot kaže srednja skica na Sliki 28. Magnetni torus lahko še naprej energijsko bogati. Ob bogatenju se mu manjša premer, narašča pa predvsem vezalna energija magnetnega torusa.

Tak EM-vozel je osnovni snovni gradnik. Osnovni snovni gradniki v obliki EM-vozlov lahko nastajajo spontano brez zunanjih vplivov. Vesolje je lahko nastalo z naključnim nastajanjem EM-vozlov in njihovim nadaljnjim povezovanjem v elektrone, protone in atome. Veliki pok je zanimiva razlaga nastanka vesolja, ni pa edina in neobhodna za pojasnitev nastanka snovi in vesolja.

Osnovni delci

Na Sliki 27 je prikazan magnetni torus, ki ga lahko pojmujemo kot najmanjši snovni delec, čeprav je razgradljiv. Razgradljiv je na ločeni električno in magnetno polje. Nepovezani električno in magnetno polje nista prostorsko in energijsko obstojni tvorbi. Snovni delec na najnižji ravni, ki ima prepoznavno obliko in jo ohranja, je torej magnetni torus oziroma EM-vozel.

Aksion

EM-vozel sta leta 1977 odkrila Peccei in Quinnje in ga poimenovala aksion. Aksion je domnevni osnovni snovni delec, ki je brez magnetnega momenta, naboja in vrtilne količine. Aksione so opazovali v raziskovalni skupini leicesterske univerze, kjer so opazili sezonsko nihanje gostote aksionov, za katere ni bilo mogoče najti konvencionalne razlage njihovega izvora. Ena od možnih razlag je izvor aksionov v Sončevem jedru. V znatnih količinah je aksione mogoče zaznati tudi v rentgenskem sevanju na Zemlji. Aksion po odkritju v nadaljnjih letih ni doživljal znatnega zanimanja fizike, ker kot osnovni delec ni skladen s standardnim modelom.

Nevtrino

Aksion se razvija in raste tako, kot prikazuje Slika 28. Ko se aksion energijsko okrepi, dobi obliko cevi na Sliki 28 oziroma na Sliki 29. V preseku cevi električno in magnetno polje nihata tako, kot prikazuje diagram na Sliki 26.

Slika 29 - EM-vozel s povečevanjem energije dobi obliko cevčice določene dolžine. Dolžino cevčice določa stojni val premikalne energije.

Slika 29 prikazuje smer magnetnega polja, ki kroži po obodu cevi. Električno polje je usmerjeno pravokotno na površino cevi, ven iz nje ali v njo. Premikalna energija (WP) pa poteka oziroma niha vzdolž cevi. Premikalna energija vzdolž cevi EM-polja ustvarja stojno valovanje, prikazano na Sliki 30. Stabilne so le tiste dolžine cevi magnetnega polja, ki s svojo dolžino ustvarjajo stojni val. Stojni val določa dolžino EM-cevi kot mnogokratnik π/2 dolžine vala premikalne energije.

Slika 30 - Stojni val določa dolžino cevčice EM-vozla kot mnogokratnik π/2 dolžine vala.

EM-vozel s kvantnimi preskoki spreminja dolžino stojnega vala na Sliki 29. EM-vozel na osnovi izmenjave energije z okolico lahko pridobiva energijo, zato se ob določeni energiji EM-vozla ta razpotegne v cev dolžine π/2 vala premikalne energije. Dogodi se hiter kvantni preskok podaljšanja cevi magnetnega polja. Tak podaljšan EM-vozel si še naprej izmenjuje energijo in pri ponovni energijski obogatitvi preskoči v EM-vozel π valovne dolžine premikalne energije. Tudi potem njegova energija ob srečevanju z drugimi EM-vozli lahko raste, in ko se EM vozel energijsko ponovno dovolj obogati, lahko preskoči v EM-vozel 3π/2 valovne dolžine premikalne energije.

Vsaka dolžina cevi EM-vozla ima torej skladno z dolžino cevi določeno količino energije in vezalne energije, vsebovane v električnem in magnetnem polju ter v premikalni energiji. Ta količina energije pa ustvarja dolžinam EM-vozlov sorazmerno maso. Tri različne dolžine EM-vozlov opažamo kot tri osnovne tipe nevtrinov (elektronski, mionski, tauonski). Magnetna cev stojnega vala ima lahko le dolžine mnogokratnika π/2, kar ustvarja kvantne lastnosti nevtrina.

Električno polje in magnetno polje zaradi simetričnega nihanja okrog nične vrednosti nista zaznavni zunaj EM-vozla, zato pri nevtrinu ne izmerimo naboja. Stojni val premikalne energije pa meritve nevtrina zaznajo kot vrtilno količino nevtrina.

Leva in desna vrtilna količina

Osnovni delec ima lahko levo in desno vrtilno količino (spin). Levi in desni spin delca izhaja iz podobnih zakonitosti kot eliptična oziroma krožna polarizacija EM-vala.

Pri eliptični polarizaciji EM-vala vektorja električnega in magnetnega polja ne nihata po premici, ampak krožita po elipsi oziroma po krožnici. Krožno polarizacijo EM-vala kaže Slika 31. EM-val ima lahko levo ali desno rotacijo.

Slika 31 – Krožno polariziran svetlobni EM-val.

Rotacijo EM-vala ilustrira tudi Slika 32.

Slika 32 - Polarizacija svetlobnega EM-vala ustvari linearno, eliptično ali krožno nihanje torusa magnetnega polja EM-vala.

Magnetno polje EM-vala ima obliko obroča. Vse tri skice prikazujejo prerez EM-vala tako, da EM-val potuje v smeri osi valja.

Na levi skici je simetrično oblikovan EM-val, kjer magnetno polje ustvarja torus pravilnih oblik. Magnetno polje niha po sinusni funkciji. Sinhrono z magnetnim poljem se po vsem kolobarju magnetnega polja pojavlja električno poje, ki tudi niha po sinusni funkciji tako, da sta električno in magnetno polje drug na drugega pravokotna.

Ko EM-val zmoti ovira, ga motnja preoblikuje na primer v linearno polariziran EM-val. Skica na sredini Slike 32 prikazuje EM-val, kjer magnetno polje niha tako, da prazen prostor sredi magnetnega kolobarja niha navzgor in navzdol.

Magnetno polje zgoraj in spodaj kolobarja niha močneje kot na levi in desni strani kolobarja. Močne spremembe magnetnega polja zgoraj in spodaj ustvarjajo močno nihanje električnega polja zgoraj in spodaj magnetnega kolobarja ter šibkejše amplitude električnega polja levo in desno. Tako nihanje EM-vala predstavlja navpično linearno polariziran EM-val. Podobno linearno nihanje se lahko pojavi v kateri koli smeri, kar pomeni, da je EM-val lahko linearno polariziran v poljubni smeri.

Skica na desni strani kaže, da praznina znotraj magnetnega kolobarja lahko rotira po elipsi ali po krožnici. To kroženje je lahko v smeri leve ali desne rotacije, v obliki krožnice ali poljubno sploščene elipse. Tako polarizacijo imenujemo krožno oziroma eliptično polarizacijo.

Podobno kot EM-val lahko niha tudi magnetni torus na Sliki 27 oziroma na Sliki 29. Lahko niha po vzoru eliptične ali krožne polarizacije. Tako nihanje magnetnega torusa oziroma aksiona zaznajo merilne naprave kot levo ali desno vrtilno količino (spin) delca.

Nevtrino nima električnega naboja niti mehanizma za ustvarjanje električnega naboja. Posledično se nevtrino glede na spin obnaša simetrično. Če na primer opazujem ventilator z ene strani, vidim obračanje v levo, če isto rotacijo opazujem z druge strani ventilatorja, opazim obračanje v desno. Enako zaradi simetričnosti pri nevtrinu izmerimo le vrtilno količino nevtrina ½, meritve pa ne prepoznajo leve ali desne vrtilne količine.

Elektron in pozitron

Dolžina cevi magnetnega polja na Sliki 29 se z medsebojnim povezovanjem nevtrinov podaljšuje tudi prek 3π/2 valovne dolžine stojnega vala premikalne energije. Kadar se dolžina cevi aksiona podaljša na 2π valovne dolžine premikalne energije, se začetek in konec cevi povežeta v večji torus in povezava ustvari elektron oziroma pozitron. V elektronu oziroma pozitronu ni več stojnega vala. Električno in magnetno polje ter premikalna energija krožijo po novonastalem torusu, kot to kaže Slika 33.

Slika 33 - Cev magnetnega torusa se poveže v večji torus, ki je osnova elektronu in pozitronu.

Valovna dolžina premikalnega toka določa dolžino novonastalega torusa, s tem pa velikost torusa elektrona oziroma pozitrona. Elektroni in pozitroni imajo posledično med seboj enako velikost in maso.

Kadar se EM-vozel zavozla v obliko elektrona, se mu poveča količina vezalne energije v odnosu do pozitivne energije. Količina vezalne energije se poveča iz dveh razlogov.

Slika 34 - Kroženje EM-torusa ustvari razmere za prevlado negativne energije v elektronu, s tem pa dodatno stabilnost elektrona.

EM-polje po torusu elektrona kroži, kot kaže Slika 34. Premikalna energija ima maso, zato hitrost kroženja premikalne energije ustvarja sredobežno silo, na Sliki 34 označeno s FS. Tej sili se zoperstavlja privlačna sila magnetnega polja, ki zaokrožuje EM-polje v obliko torusa elektrona. Večje magnetno polje poveča količino vezalne energije novonastalega torusa.

Tudi električno polje ustvari vezalno energijo s privlačno silo. Na krožnici torusa elektrona so na nasprotnih straneh torusa različno usmerjena električna polja, nekje v pozitivni smeri, drugje v negativni smeri, s tem pa tudi električna sila ustvarja privlačno silo in zmanjšuje premer torusa elektrona. Poleg magnetnega polja tudi električno polje ustvarja vezalno energijo električnega polja. Torus elektrona se tako volumsko zmanjša in zaradi porasta vezalne energije EM-vozel ostane ujet v stabilen elektron kvantnih lastnosti.

Električni naboj

Elektron in pozitron se ločujeta po električnem naboju. Elektron ima negativni električni naboj, pozitron pa pozitivnega. Razlika med njima izhaja iz dveh različnih načinov nihanj EM-torusa.

Električno in magnetno polje aksiona nihata s časovnim zamikom π/2. Električno in magnetno polje aksiona sta lahko zamaknjeni na dva načina. V enem primeru električno polje prehiteva magnetnega, v drugem pa magnetno polje prehiteva električnega. Pozitivni in negativni električni naboj izhajata iz enega ali drugega zamika med električnim in magnetnim poljem.

Oba možna zamaka električnega in magnetnega polja sta si simetrična in noben nima prednosti pred drugim. Ob nastanku elektrona oziroma pozitrona se naključno pojavi en ali drug zamik med električnim in magnetnim poljem, kot kažeta gornja diagrama na Sliki 35.

Slika 35 - V EM-vozlu sta električno in magnetno polje zamaknjeni za π/2. Njun zamik je v eni ali drugi smeri. En zamik ustvarja elektron, drug zamik pa pozitron.

Vektorji električnega in magnetnega polja ter smer premikalne energije ostajajo med seboj pravokotni tako na levi kot desni strani diagrama na Sliki 35. Vektorji na levi in desni strani pa imajo nasprotne smeri, kot to kaže spodnji diagram na Sliki 35.

Električno in magnetno polje nihata in izmenično spreminjata svoji vrednosti in smeri vzdolž cevi torusa. Električno polje izmenično kaže v cev, čez pol periode pa iz cevi, kot to kažeta leva in desna stran Slike 36.

Slika 36 - Premikalni tok na levih skicah preprečuje sevanje električnega polja v okolico, na desnih skicah pa v sredino torusa.

Električno in magnetno polje premikalno energijo izrivata enkrat tako, da premikalna energija teče po notranjem obodu cevi. Na Sliki 36 to prikazujeta desni skici. Čez pol periode pa je premikalna energija izrinjena na zunanji obod cevi, kar kažeta skici na levi strani Slike 36. Premikalna energija ni prehodna za električno polje. Vsake pol periode se premikalna energija seli z enega roba na drug rob torusa in ne prepušča električnega polja, enkrat v smeri proti notranjosti torusa, drugič v smeri zunanjosti torusa, kot to kaže Slika 36.

Gostota premikalne energije se spreminja sinhrono z gostoto električnega polja.

Pri pozitronu premikalna energija v okolico torusa prepušča pozitivni naboj. Čez pol periode, ko torus ustvari negativni naboj, pa premikalna energija prepreči sevanje tega naboja v okolico. Pozitron torej v okolico seva pozitivni naboj. Ta primer prikazujeta gornji skici na Sliki 36.

Pri elektronu sta električni naboj in premikalna energija usklajena ravno obratno. Premikalna energija v okolico spušča negativni naboj, zadržuje pa pozitivnega, kot to kažeta spodnji skici na Sliki 36.

Premikalna energija električno polje omejuje podobno, kot ta preprečuje sevanje električnega polja iz EM-vala. EM-val in EM-vozel se razlikujeta toliko, da premikalna energija usmeri celotno električno polje EM-vala v notranjost EM-vala na vsej njegovi poti. Pri EM-vozlu pa električno in magnetno polje nihata z zamikom. S tem premikalna energija izmenično usmerja električno polje enkrat v torus, drugič iz njega.

Vzpostavi se taka sinhronizacija električnega polja in premikalne energije, da pri elektronu premikalna energija v okolico prepušča le negativno usmerjeno električno polje. Torus elektrona zato seva negativni naboj. Pri pozitronu premikalna energija proti okolici prepušča le pozitivni naboj.

V notranjost cevi torusa usmerjeno električno polje v okolici torusa ni zaznavno. EM-nihanje torusa ustvarja torej električni naboj.

Nukleon

Ob srečanju elektrona in pozitrona se pozitron in elektron spojita v povezan delec, kot ga prikazuje Slika 37. V fiziki je taka združitev elektrona in pozitrona pojmovana kot anihilacija ali njuno izničenje z vmesnim nastankom delca positroniuma, pri čemer nastane sevalna energija. Izsevani foton ima zanemarljivo energijo, če jo primerjamo z notranjo energijo elektrona in pozitrona. Združitev elektrona in pozitrona (anihilacija) ne pomeni njunega izničenja, ampak nastanek delca, ki povezuje elektron in pozitron v nov delec.

Elektron in pozitron drug v drugega vpadeta podobno, kot vpade elektron v atomsko lupino, in s tem ustvarita nov delec. Njuna združitev ju s tem medsebojnim vpadom pahne v globljo medsebojno povezanost z vezalno energijo. S povezavo se ustvari vezalna energija, hkrati pa ob njuni združitvi izsevata energijo v obliki fotona.

Pozitron in elektron imata različna električna naboja, zato ju električno polje med seboj privlači. Ob vpadu drug v drugega se med njima ohranja premikalna energija tako, da ju ločuje in med njima ustvarja pregrado. Premikalna energija pregrado ustvarja enako, kot izolira električno polje v EM-valu. Elektron in pozitron s povezavo ustvarita v fiziki še prezrt delec.

Slika 37 - Torusa elektrona in pozitrona sovpadeta v nov delec in pri tem oddasta foton.

V povezavi elektrona in pozitrona se med seboj kompenzirata električni polji, zato njuna povezava nima električnega naboja. Kompenzira se tudi magnetni moment in spin, zato je novonastali delec skrit merilnim metodam. Ima le maso, ki je dvojna masa elektrona, povečana za maso vezalne energije med njima.

Po pričakovanjih se povezave elektronov in pozitronov spontano rojevajo povsod po vesolju in sevajo. Fotone zaznamo kot EM-sevanje ozadja, to je isto sevanje, kot ga pripisujejo sevanju ozadja ob velikem poku.

Slika 38 - Pozitroni in elektroni se povezujejo v začasno stabilne delce (kvarke), kot jih zaznamo ob trkih atomskih jeder.

Združitev elektrona in pozitrona v povezan delec je prva faza nastajanja nukleona. Slika 38 prikazuje fazni razvoj nukleona. Začne se z ločenimi elektroni in pozitroni. Na poziciji A sta elektron in pozitron prikazana ločeno in nepovezano. Na poziciji B sta povezana tako, kot je to prikazano na Sliki 37. Privlačita ju različna električna naboja elektrona in pozitrona. Na poziciji B ni več izrisan celotni torus elektrona oziroma pozitrona, ampak le še preseka torusov elektrona in pozitrona. Enako so le preseki narisani tudi v nadaljnjih skicah. Na poziciji C povezava elektrona in pozitrona pritegne še en pozitron in nastane ‚u‘-kvark ali antikvark, odvisno, ali je v sredini elektron ali pozitron. Ta povezava se lahko razširja še naprej, na primer tako, kot prikazuje pozicija D. Na poziciji D polne črte prikazujejo privlačne sile, črtkane črte pa odbojne sile med elektroni in pozitroni. Elektroni in pozitroni so zaradi odbojnih sil med seboj razmaknjeni, kar ustvarja razmere za nadaljnje povezovanje elektronov in pozitronov v smeri gradnje nukleona. Povezave elektronov in pozitronov ustvarjajo u- in d-kvarke, ti pa so gradniki nukleonov, to je protonov in nevtronov.

Oblika povezave na poziciji D Slike 38 ima lastnosti d-kvarka. Kadar v trkalniku razbijamo proton, v razbitinah prepoznavamo posamezne elektrone ali pozitrone, delcev na poziciji B merilne metode ne zaznajo, ker nimajo naboja, magnetnega momenta in spina. Zaznavamo pa u- in d-kvarke. Struktura na poziciji D je dovolj trdna, da se ob trku za kratek čas ohranja.

Merilne metode in rezultati meritev so dokaj nedoločeni za prepoznavanje, kako se u- in d-kvarki povezujejo v nukleon.

V pospeševalniku proton lahko razbijemo. Posamezne razbitine opazimo kot kvarke. Opažena nihanja kvarkov so omejeno obstojna. Kmalu po razbitju protona se rekonstruirajo nazaj v nukleon, če v soseščini najdejo ustrezne gradnike. Razbitine lahko tudi obstanejo v obliki ločenih elektronov. Tudi nastali pozitroni ob razbitju protona praviloma ne obstanejo dalj časa, ker hitro najdejo elektron, s katerim se povežejo v delec elektron-pozitron.

Močne jedrske sile

Jedrski gradniki (kvarki, protoni …) so sestavljeni iz EM-vozlov, ki jih ustvarjajo električna in magnetna polja ter premikalna energija, kot to kaže Slika 27. Masa protona je v velikostnem razredu 1 GeV, njegova velikost oziroma premer pa v velikostnem razredu 10⁻¹⁵ m. Lastnosti protona kažejo na izrazito močna električna in magnetna polja znotraj protona.

Električna in magnetna polja ter premikalna energija so uravnotežena v vsaki točki jedrskega gradnika. Med posameznimi točkami EM-polj posledično ni izrazitih sil kljub izrazito močnim EM-poljem v jedrskih gradnikih.

Naj to uravnoteženost ilustriram na lažje predstavljivem primeru. Ko curek vode teče iz cevi, so v njem vse molekule vode uravnotežene. Vse molekule imajo isto smer in med molekulami ni omembe vrednih sil. Curek vode ima lahko veliko energijo, vendar ta ne vpliva na medsebojno prerazporejanje molekul vode v curku. Curek vode teče v pravilnem loku, ne glede na hitrost, pretok, energijo in ostale dejavnike znotraj curka, ker je vsaka molekula vode v curku energijsko uravnotežena s sosednjimi molekulami.

Energijsko uravnotežene točke jedrskega gradnika ne ustvarjajo notranjih sil, ki bi jedrski gradnik skušale preoblikovati ali razdreti. Znotraj atomskega gradnika med posameznimi točkami ni izrazitih sil. Vsaka točka znotraj atomskega gradnika je posledično stabilna ne glede na gostoto električnega in magnetnega polja.

Drugače pa je, kadar želimo jedrski delec razbiti v trkalniku. V tem primeru EM-polje kot odziv na vsako deformacijo atomskega jedra ustvari močne sile, ki skušajo ohraniti delec v svoji stabilni obliki. Te močne EM-sile znotraj jedrskih delcev imenujemo močne jedrske sile.

Atom

Atom je sestavljen iz atomskega jedra in elektronov, ki krožijo po lupinah okrog jedra.

Atomsko jedro

Enačba E = m · c² opisuje energijo, ki jo vsebuje masa snovi. Ta enačba pa pušča ob strani vprašanje količine negativne vezalne energije v snovi. Količina negativne vezalne energije v atomskem jedru je celo večja od količine pozitivnih oblik energij.

Pri zlivanju ali razbijanju atomskih jeder lahko le-te doživljajo pestre spremembe mas. Masa jedra praviloma ni enaka vsoti mas gradnikov atomskih jeder, preden se zlijejo. Dve atomski jedri težkega vodika, ki se zlijeta v helij, nimata enakih mas kot atomsko jedro helija. Ob zlivanju jeder so možne na prvi pogled nesprejemljive kombinacije, na primer da se ob zlitju atomskih jeder poveča masa delcev, obenem pa zaznamo izsevano energijo.

Atomske mase približno sovpadajo z vsoto mas nevtronov in protonov v jedru. Nukleone atomskega jedra povezuje različna in za vsak tip jedra unikatna količina vezalnih energij, katerih posledica so različne in unikatne mase atomskih jeder. Znanosti še ni uspelo najti zakonitosti, ki bi določala maso atomskega jedra na osnovi njegovih gradnikov, zato je masa atomskih jeder ugotovljena le eksperimentalno. Sprememba njihove mase ob zlitju ali razbitju je posledica spremembe:

količine pozitivnih energij v atomskem jedru ter

količine negativne vezalne energije atomskega jedra,

kot to prikazuje shematski prikaz energije atomskega jedra na Sliki 39.

Na levi strani slike je prikazana količina pozitivne in negativne energije jeder A in B pred zlitjem. Desno so prikazana tri možna zlitja jeder A in B.

Slika 39 - Na izsevano energijo ob zlitju atomskih jeder vpliva tako sprememba pozitivnih kot negativnih oblik energij.

V prvi prikazani varianti se ob zlitju poveča tako vrednost pozitivne energije jeder W kot tudi negativna vezalna energija bW. Druga varianta zlitij jeder kaže zmanjšanje energije W ob povečanju bW, tretja varianta pa povečanje W ob ohranjanju bW. Na splošno se lahko poveča, zmanjša ali ohranja katera koli od teh energij. Spremembi energij bW in W vplivata na spremembo skupne energije atomskih jeder po zlitju, s tem pa tudi na spremembo mase atomskih jeder ob zlitju. Povečanje količine energije ali vezalne energije ob zlitju atomskega jedra pomeni povečanje mas atomskih jeder, zmanjšanje ene ali druge pa zmanjšanje mase.

Sprememba energij W in bW ob zlivanju atomskih jeder se odraža tudi v sproščeni energiji. Izsevana energija je posledica tako spremembe pozitivne energije dW kot tudi spremembe negativne vezalne energije dbW v atomskem jedru ob zlitju jeder.

Spodnja tabela prikazuje šest variant (prva kolona tabele) zlitij atomskih jeder. Tabela kaže spremembe mas in energij ob zlitju. Druga in tretja kolona opisujeta, kako se spremeni absolutna vrednost pozitivne in negativne vezalne energije ob združitvi jeder. Posledično se spremeni masa atomskega jedra, kot to prikazuje četrta kolona. Sprememba energije in vezalne energije atomskega jedra se odrazi bodisi v izsevani energiji (eksotermne reakcije) bodisi v obliki zahteve po dovedeni energiji (endotermne reakcije), kar prikazuje zadnja kolona.

Abs

(dW)

Abs

(dbW)

Masa

Energijski odziv zlitja

1

nič

se poveča

večja

izseva energijo dbW

2

nič

se zmanjša

manjša

dovod energije dbW

3

se zmanjša

nič

manjša

izseva energijo dW

4

se poveča

nič

večja

dovod energije dW

5

se zmanjša

se poveča

eno ali drugo

izseva energijo dW + dbW

6

se poveča

se zmanjša

eno ali drugo

dovod energije dW + dbW

Ko bodo opravljene podrobnejše meritve, bo eksperimentalna fizika pokazala, da morda kakšna od teh možnosti ne obstaja.

Vajeni smo razmišljanja, da se ob zlitju izseva toliko energije, za kolikor se ob zlitju zmanjša masa obeh jeder. Ta primer je opisan pod številko 3. Na splošno pa ob zlitju atomskih jeder lahko na primer zasledimo na prvi pogled nepričakovano kombinacijo. Primer pod številko 1 kaže, da se lahko ob fuziji povečajo mase zlitih jeder ob izsevani energiji, pri čemer energijska bilanca sistema ni kršena. Povečanje mase se dogodi kot posledica povečanja vezalne energije. Ob tem fuzija zagotovi energijsko bilančno skladnost tako, da izseva energijo, ki ustreza povečanju vezalne energije jedra. Ob povečanju mase atomskega jedra se torej izseva energija.

Masa atomskih jeder se različno spreminja in ni v enoumni povezavi z izsevano energijo, kot bi to lahko napačno sklepali na osnovi enačbe E = m · c². Zlivanje jeder lahko seva energijo tudi ob povečevanju mase.

Na osnovi sprememb mas ob zlitju ne moremo sklepati, koliko energije izseva posamezna fuzija atomskih jeder, dokler ločeno ne izmerimo spremembe količine energije in vezalne energije v atomskem jedru v času fuzije.

Energija in vezalna energija atomskega jedra pred fuzijo in po njej je merljiva. Tu so odprte možnosti za nadaljnji razvoj fizike. Merljiva je predvsem pri opazovanju zlitij, pri katerih se en element zliva v drugega, na primer težki vodik v helij. Merjenje mas in izsevane energije bo omogočalo določitev količine energije in negativne vezalne energije v atomskih jedrih.

Dokler nimamo teh meritev, ni mogoče ocenjevati, kakšen je odnos izsevane energije Sonca glede na spremembo mase Sonca ob zlivanju težkega vodika v helij. Izsevana energija Sonca je lahko mnogo večja od zmanjšanja njegove mase po enačbi E = m · c².

Atomske lupine

Okrog atomskega jedra krožijo elektroni po atomskih lupinah. Velikost in obliko atomskih lupin določa frekvenca nihanja električnega polja v elektronu, ki jo določa notranja zgradba elektrona in jo prikazuje diagram na Sliki 40. Lastno nihanje električnega polja elektrona je opisano v poglavju Elektron in proton.

Slika 40 - Nihanje električnega polja v elektronu. Premikalna energija v okolico elektrona prepušča le negativne polperiode električnega polja.

Premikalna energija v svojo okolico elektrona prepušča le negativne polperiode električnega polja, kot to kaže Slika 40. Pozitiva električna polja ostanejo izolirana znotraj elektrona in v okolici elektrona niso zaznavna.

Kroženje elektrona okrog atomskega jedra

Na Sliki 40 prikazano lastno nihanje električnega polja elektrona določa pot elektrona po lupini okrog atomskega jedra.

Nihanje električnega polja elektrona določa obliko atomske lupine. Na spodnji lupini (K) v času enega obhoda elektrona okrog atomskega jedra električno polje elektrona napravi dve periodi nihanja. Usklajeno kroženje elektrona okrog atomskega jedra in nihanje električnega polja elektrona določa v vseh razmerah enako ‚kvantno‘ pot elektrona okrog atomskega jedra, kot to kaže leva skica na Sliki 41.

Slika 41 - Eliptično kroženje elektrona okrog atomskega jedra.

Elektron okrog atomskega jedra kroži po elipsi. Geometrijske razsežnosti atomske lupine v obliki elipse določata frekvenca nihanja električnega polja elektrona na Sliki 40 in masa elektrona. Ko je elektron na daljši osi elipse in oddaljen od atomskega jedra, je električno polje elektrona najmočnejše. Električno polje privlači elektron proti atomskemu jedru. Ko pa se elektron približa atomskemu jedru in se nahaja na krajši osi elipse, ima veliko kinetično energijo. Ko je elektron blizu atomskega jedra, se elektronu izniči električno polje in s tem tudi privlačna sile med elektronom in jedrom. Elektron odleti mimo jedra. Ko se oddaljuje, se mu ponovno jača električno polje in jedro ga ponovno privlači. S kroženjem elektrona po elipsi okrog atomskega jedra se v elektronu med seboj pretakata potencialna energija električnega polja ter kinetična energija, ki izhaja iz hitrosti in mase elektrona.

Kadar se v lupino okrog atoma ujameta dva elektrona, izmenično sevata negativni naboj, enkrat eden, drugič drugi. Na notranji (K) lupini torej lahko krožita dva elektrona in se pri tem medsebojno ne motita, kot to kaže desna stran Slike 41.

Elektron okrog atomskega jedra lahko kroži tudi tako, da v enem krogu poti elektrona okrog jedra napravi več nihajev električnega polja. Taka krivulja kroženja je večja in pripada višjim lupinam elektronov okrog jedra. Ko se pojavi tretji elektron, mu elektromagnetne sile med elektroni ne dovolijo umestitve na prvo lupino. Lahko se umesti na drugo lupino. Ker ima druga lupina večje prostorske dimenzije in ker električno polje elektrona v enem obhodu elektrona okrog atomskega jedra napravi več nihajev, se v to lupino lahko namesti osem elektronov.

Krožeč elektron ne seva energije

Električna ali magnetna nihanja v splošnem sevajo energijo v obliki EM-valov. Če anteno radijskega oddajnika priključim na izmenično električno napetost, ta oddaja EM-valove.

Niha tudi električno polje elektrona, kot ga prikazuje Slika 40. Elektron kroži okrog atomskega jedra. Pojavi se vprašanje, zakaj to nihajoče električno polje elektrona in krožeč elektron okrog atomskega jedra ne sevata EM-valov.

Sama vase sklenjena uravnotežena EM-nihanja nihajo avtonomno in pri tem ne sevajo energije. Značilnost stabilnih EM-nihanj je v tem, da je sistem nihanja energijsko uravnotežen tako, da sile med energijskimi polji ta polja usmerjajo in vračajo proti nihajočemu sistemu in jim ne dovoljujejo sevanja zunaj sistema.

Tako kroženje elektrona lahko primerjamo s kroženjem Lune okrog Zemlje. Luna ima določeno potencialno energijo, ki jo vleče proti Zemlji, in kinetično energijo, ki izhaja iz njene hitrosti, ki jo skuša oddaljiti od Zemlje. Če so te energije uravnotežene, Luna kroži okrog Zemlje. Enako imamo v EM-polju elektrona okrog atomskega jedra potencialne energije, ki izhaja iz privlačnih in odbojnih sil med električnimi in magnetnimi polji, ter premikalno energijo, ki je oblika kinetične energije. Pojem kinetične energije se uporablja za gibalno energijo snovnih delcev. Kadar govorim o energiji, ki je posledica gibanja energijskih polj, pa govorim o premikalni energiji.

Kot usklajenost potencialne in kinetične energije zagotavlja kroženje Lune okrog Zemlje, pri tem pa Luna niti ne pade na Zemljo niti ji ne pobegne, tako usklajenost energij električnega in magnetnega polja ter premikalne energije ustvari razmere, da krožeč elektron ne seva energije.

Tak sistem ustvarja stabilno nihanje navedenih energij in ne oddaja energije v obliki sevanja. Energijsko stabilen sistem je EM-val, aksion in drugi osnovni delci, v katerih opažamo vase sklenjeno nihanje električnega in magnetnega polja.

Drugače je, če se elektron znajde v okoliščinah, kjer energija električnega in magnetnega polja ter premikalna energija med seboj niso uravnotežene. V takem primeru nihanja električnih in magnetnih polj sevajo energijo. Ko elektron prehaja iz ene v drugo lupino, njegova energija med prehodom ni v uravnoteženem stabilnem energijskem nihanju. Energijsko neuravnotežen elektron med prehodom z višje na nižjo atomsko lupino odda odvečno energijo v obliki EM-vala (fotona).

Frekvenco oddanega EM-vala določa frekvenca kroženja elektrona okrog atomskega jedra. Elektron ima na višji lupini nižjo frekvenco kroženja okrog atomskega jedra kot na nižji lupini. Ko elektron prehaja z višje lupine na nižjo, se mu ob padanju povečuje frekvenca. S trenutno frekvenco kroženja elektrona se pojavlja tudi izsevan EM-val, ki ima v vsakem trenutku enako frekvenco, kot je trenutna frekvenca kroženja elektrona.

Elektron na začetku padanja, to je na začetku prehodnega pojava, seva EM-val z manjšo frekvenco, na koncu prehajanja med lupinama pa z večjo frekvenco. Kot se med padanjem elektrona z ene lupine na drugo povečuje njegova frekvenca kroženja, se povečuje tudi frekvenca EM-vala. Povečevanje izsevane frekvence EM-vala kaže zgornja skica na Sliki 42.

Koherentni EM-val, ki na vsej dolžini nima enake frekvence in valovne dolžine, ni energijsko uravnotežen. Tak EM-val na poti spreminja svojo obliko. Po nekaj nihajih se preoblikuje v EM-val enake valovne dolžine in enake frekvence na vsej svoji dolžini, kot to kaže spodnji diagram na Sliki 42.

Slika 42 - Elektron v prehodu med tirnicami seva EM-val različnih valovnih dolžin (gornji diagram). Ta ni stabilen in se na poti pretvori v EM-val enakih valovnih dolžin (spodnji diagram).

Frekvenco EM-vala je po prehodnem pojavu ustali. Uravnotežena frekvenca je višja od frekvence kroženja elektrona na višji lupini, ki jo elektron zapušča, in nižja od frekvence kroženja elektrona na nižji lupini, na katero elektron pada.

Frekvenca EM-vala ni odvisna od energije elektrona na eni ali drugi lupini, ampak le od frekvenc kroženja elektrona okrog jedra na eni in drugi lupini. Na različnih lupinah elektron kroži z različno frekvenco in ta frekvenca kroženja elektrona okrog atomskega jedra določa frekvenco in valovno dolžino izsevanega EM-vala.

Izsevani EM-val ima pri isti frekvenci lahko različne energije. Slika 17 kaže, da ima vsak EM-val enako energijsko gostoto EM-polja. EM-val pa ima lahko različne volumne EM-vala, odvisno od premera EM-vala in njegove valovne dolžine. Elektron odda različne energije EM-vala tako, da pri neki frekvenci EM-vala ustvari energiji EM-vala ustrezen premer EM-vala, ki ustreza razliki energij elektrona med gornjo in spodnjo lupino.

Slika 43 - Izsevana valovna dolžina spektralne črte je odvisna od frekvence kroženja elektrona na lupini, iz katere elektron odhaja, in frekvence elektrona na lupini, kamor elektron vpade.

Kadar elektron prehaja z ene lupine na drugo, takrat so ti prehodi dokaj enoumni tako glede izsevane energije kot izsevane frekvence EM-vala. Slika 43 prikazuje izsevane valovne dolžine svetlobe ob prehodih med lupinami vodika.

Manj enoumne pa so razmere, ko elektroni v atomsko lupino vpadejo iz okolice z različnimi hitrostmi in pod različnimi koti. Takrat so prehodni pojavi utirjenja elektrona enkratni. Posledično so tudi izsevni EM-valovi enkratnih oblik. Tako je na primer na Soncu, kjer se stalno dogaja izbijanje elektronov in njihovo ponovno vpadanje s pestrimi hitrostmi in pod pestrimi vpadnimi koti. To pa ne ustvarja spektralnih črt, kot jih prikazuje Slika 43, ampak zvezni spekter svetlobe.

Mit o hitrosti svetlobe

Vesolje je zapleten sistem. Fizika ga zna le delno opisati, nekatera področja samo empirično. Pogosto nimamo primernih meritev za celovit opis pojava, zato se v fiziki pogosto pojavljajo hipoteze ali celo miti. Atomi na primer so premajhni, da bi jih neposredno in v celoti merili. Pri raziskovanju atoma bo znanost tudi v prihodnje odvisna od posrednih meritev v kombinaciji z miselnimi modeli. Pri ocenjevanju miselnih modelov pa naletimo na ovire, kot je na primer kognitivna pristranskost.

Kognitivna pristranskost je pojem iz sociologije in opisuje človekovo željo po nekem stanju, kot ga določi vplivna skupina ljudi in ki je aktualno v nekem času. Vzpostavi se neko privzeto razumevanje na primer naravnega pojava in vsaka sprememba od tega razumevanja je v človeški naturi zaznana kot izguba. Sidranje pa je vrsta kognitivne pristranskosti, ki pomeni človeško naravnanost, da se čezmerno zanašamo na ponujene razlage, to je sidra. Ko si človeštvo oziroma fizika ustvari neko sidro, nadaljnje odločitve sprejemamo tako, da se od njih čim manj oddaljimo, da nova spoznanja interpretiramo okoli privzetega sidra. Pri fizikalnih hipotezah se pojavlja nevarna praksa, da skupina fizikov eno od hipotez razglasi za veljavno, preden jo utemelji z objektivnimi meritvami, zaradi česar fizika lahko zaide v slepo ulico. Že v antiki je na primer Empedokles menil, da svetloba za svojo pot rabi neki čas, da ima neko končno hitrost, vendar je Aristotel temu nasprotoval. Pri tem je takrat tudi ostalo. Danes se problem avtoritet seli le na druga področja. James Gleick ugotavlja, da nova veda posledično lahko vznikne šele iz vede, ki je krepko zabredla v slepo ulico, ko sidranje ni več mogoče. Fizik Weinberg je leta 1997 izjavil: »Fiziki gradijo daljnoglede in pospeševalnike in satelite in ure in ure presedijo za pisalno mizo in iščejo smisel v podatkih, ki so njih nabrali.« Te podatke je možno sestaviti v mnoge znanstvene paradigme. Posamezna paradigma (veliki pok, hitrost svetlobe …) ima vplivne privržence. Na temelju avtoritet lahko ustvari vtis končne resnice. Čez nekaj časa pa se pojavijo novi rezultati meritev, ki motijo aktualno paradigmo, zato znanost sestavi novo paradigmo. Pri tem niti ni nujno, da je nova paradigma boljša od predhodne.

Novo generično fizikalno spoznanje se rodi v sociološkem procesu, kjer morajo biti izpolnjeni določeni pogoji.

Prvi pogoj je, da novo spoznanje privzame zadostno število ljudi. Dokler je neko spoznanje prepoznano v ozkem krogu, lahko dolgo životari v zametkih. Heliocentrični sistem je Ptolemaj opisal že v drugem stoletju. Tudi drugi razumniki so ga omenjali vse do 16. stoletja, vendar je njihovo razmišljanje ostajalo skorajda neopaženo. Nihče jih za ta spoznanja ni pohvalil in nihče jih ni kritiziral.

Ko se pri posamezniku rodi neka nova ideja oziroma neko novo spoznanje, je to podvrženo mnogim oviram pri uvajanju. Avtor ideje te ne more predstaviti ljudem s skromnim znanjem, ker ga ne razumejo. Ravno tako ima skromne možnosti predstavitve ideje strokovnjakom, ki so praviloma kognitivno pristranski. Zgodovina kaže, da mora določena ideja doživeti več izvorov ter da se razvija v ozkih krogih praviloma več stoletij, da doseže takšno stopnjo sprejemljivosti in takšno razširjenost, da lahko v družbi zaživi kot splošno privzeto znanje.

Neko spoznanje se praviloma rodi nekemu človeku v določenih okoliščinah. Kadar nekdo ne pozna nekega strokovnega področja, zaradi skromnega znanja nima možnosti za nova odkritja. Kadar ima neki specialist za določeno področje bogato znanje, so njegove misli praviloma fiksirane na določene miselne modele, iz katerih me more iziti, zato ima tudi ta strokovnjak skromne možnosti novih spoznanj. Za nova spoznanja obstaja neko ozko okno znanj posameznika, ne preveč in ne premalo, ko ima le-ta že primerna znanja iz strokovnega področja, ni pa še ujet v miselne kalupe, iz katerih ne more. Najboljša možnost je, kadar nekdo s sorazmerno še skromnimi znanji postavi širši okvir razumevanja nekega področja in nato pridobiva znanja, s katerimi preverja intuitivni model.

V naslednji fazi, ko spoznanje razširi med primerno število ljudi, praviloma nastopi izbruh čustev ter takšen ali drugačen medsebojni boj zagovornikov in nasprotnikov. Heliocentrični sistem je Nikolaj Kopernik opisal leta 1543 in povzročil s tem burne razprave. Tudi Einsteinova teorija relativnosti povzroča burne razprave, čeprav na bolj civilizacijski ravni.

Kadar fizika nečesa ne zna natančno pojasniti, si izbere hipotezo, na primer da je elektron kroglica z Lorenzovim polmerom elektrona. Čez nekaj časa fizika na primer elektron deklarira drugače, kot neskončno majhen delec, kot točko, ob seveda končni masi elektrona. Posledica točke z maso je neskončna specifična masa elektrona. Namesto preuranjenih hipotez bi bilo v fiziki primerneje zapisati, da ima fizika za neko hipotezo še premalo in preskromne meritve. Primernejša bi bila izjava, da fiziki premera elektrona ne znajo izmeriti.

Če pa fizika že izpostavlja hipoteze, morajo biti podvržene stalnemu in vsestranskemu preverjanju. Pogosto so fiziki kljub obilici nejasnosti prepričani, da je fizika dosegla svoje meje. Nobelovec Richard Feynman pravi, da je srečen, ker živi v obdobju, v katerem je bilo mogoče odkriti osnovne zakone narave. Toda ta čas je po njegovem mnenju minil. Fizik Horgan opozarja, da so posamezniki že nekajkrat napovedovali, da ne bo več temeljnih odkritij, na primer ob koncu 19. stoletja. Meni, da so pred znanostjo še velike naloge. Predvsem filozofi fizike menijo, da ne more biti konca fizikalne znanosti, saj njene teorije nadomestijo nove, podrobnejše in boljše. Pravir tega precenjevanja je – poleg človeškega ‚egotripa‘ – zamenjava realnosti s fizikalnim modelom. Einstein in Bohr sta imela pestre razprave glede kvantne mehanike, kjer se je Einstein nagibal k temu, da moramo kvantno mehaniko razumeti kot še nepopoln opis realnosti. Njegovo razmišljanje je zrelo, kajti samovšečno bi bilo razmišljanje, da smo na področju, ki vsaj posredno izraža toliko mistike, odkrili končno resnico.

Omejenost človekovega razuma je ključna ovira za razumevanje naravnih pojavov. Naravne zakone prepoznavamo le deloma. Naša sposobnost celovitega dojemanja teh pojavov je manjša kot sposobnost njihovega izkustvenega doživljanja. Evolucija je očitno dala prednost drugemu.

V literaturi določen pojav najdemo opisan na različne načine. Svetlobo Maxwell opisuje na en način, optika na drug način, kvantna mehanika (QED) na tretji način. Pojavi se vprašanje, kateremu opisu naj verjamemo.

Dva pogoja določata, kateremu opisu naj verjamemo:

Neposredni rezultati meritev

Skladnost opisa pojava z rezultati meritev

Dokler imamo skromen nabor meritev, fantazija dopušča mnogo možnih opisov pojava. Vsi opisi so lahko skladni s skromnimi meritvami. Če pa povečamo število meritev in z različnimi meritvami osvetlimo pojav iz mnogih zornih kotov, pa odpada vse več interpretacij, preostalim opisom pa se povečuje zaupanje.

Narava ima v rokavu še mnogo skrivnosti, ki ljudem omogočajo veliko užitka pri znanstvenem raziskovanju. Pri tem ni skrbi, da bi teh naravnih skrivnosti zmanjkalo. Več skrbi nam lahko povzroča naša intelektualna dimenzija, ali jih naš človeški intelekt sploh lahko razume, čeprav so nam te naravne skrivnosti ponujene na pladnju. Do kod bo znanost v raziskovanju narave sploh lahko prišla, kakšen odstotek naravnih danosti bo znanosti še zelo dolgo zastrt?

Svetloba

Sidranje fizikalnih mnenj in nekatera odprta vprašanja fizike lahko ilustriram na primeru svetlobe. Hitrost svetlobe v vakuumu je bila leta 1983 na osnovi definicije metra postavljena na c = 2,99792458 · 10⁸m/s. Svetloba naj bi imela konstantno hitrost c ne glede na hitrost opazovalca in to tako na izvoru, kjerkoli na poti, kot na ponoru. Na osnovi v vseh razmerah enake hitrosti svetlobe je Einstein v začetku prejšnjega stoletja objavil splošno teorijo relativnosti, ki v zelo poenostavljenem opisu govori, da mirujoči opazovalec pri gibajočemu opazovalcu opaža upočasnjen tek časa, v smeri gibanja pa zaznava krajše razdalje, oboje odvisno od njegove hitrosti.

Dolžino dneva gibajočega opazovalca lahko na primer časovno primerjamo z dvema dnevoma, kot jih zaznava mirujoči opazovalec. Gibajočemu opazovalcu počasneje ne teče le čas, tudi njegova ura za merjenje časa mu teče počasneje. Ker se mu podaljša tako dolžina dneva kot dolžina ure, kot jo izmeri njegova ura, mu bo dan trajal še vedno 24 (njegovih) ur. Zaradi usklajene upočasnitve teka ure in poteka dogodkov na svoji uri ne bo zaznaval počasnejšega teka časa.

Mirujoči raketar naj bo na primer visok 180 cm, preko ramen pa širok pa 40 cm. Gibajočemu raketarju se skladno s posebno teorijo relativnosti zaradi hitrosti zmanjša višina, ko je obrnjen v smeri potovanja na primer za desetkrat, to je na 18 cm. Visok je torej 18 cm, širok pa 40 cm. Ko se obrne prečno na let rakete, se njegova višina povrne na 180 cm, širina pa zmanjša na le 4 cm. Če se obrača, se mu dimenzije sprotno groteskno spreminjajo.

Lahko si zamislim tudi opazovalca na drugem hitro gibajočem nebesnem telesu, ki opazuje mene. V tem primeru sem jaz gibajoči opazovalec. Zanj se gibljem jaz, on pa miruje. Ali bo tudi on prepričan, da tudi jaz groteskno spreminjam svoje oblike, ko se obračam?

Tu se pojavi še vprašanje dolžine etalona metra. Ko gibajoči opazovalec v svoji roki obrača etalon metra v različne smeri, se dolžina metra spreminja, glede na to ali je meter obrnjen v smeri gibanja opazovalca ali v prečni smeri. Meter, ki se mu dolžina spreminja s smerjo, lahko služi kot merilo le, če hkrati z izmerjeno vrednostjo povemo še, kam je bil v času merjenja meter obrnjen.

Poznane in uveljavljene fizikalne zakonitosti dopuščajo različne, celo protislovne in težko predstavljive razlage. Predhodno navedene razlage temeljijo na v vseh razmerah enaki hitrosti svetlobe. Smiselno je torej nameniti še nekaj pozornosti razumevanju hitrosti svetlobe.

Radijski val

Radijski val je EM valovanje, ki se od svetlobe razlikuje le po nižji frekvenci. Za lažjo razumljivost si oglejmo hitrost potovanja radijskega signala, kot je prikazano na Sliki 44. EM signal potuje od radijskega oddajnika do prometnega znaka in hkrati do vozečega avtomobila. EM val doseže opazovalca, enega ob prometnem znaku, drugega v avtomobilu v trenutku, ko je avtomobil ob prometnem znaku.

Slika 44 - Isti EM signal od antene potuje do prometnega znaka in vozečega avtomobila.

Če si na sliki ogledam narisane EM valove med radijskim oddajnikom in opazovalcema, enem ob prometnem znaku in drugem v avtomobilu, si ne moremo ustvariti druge predstave, kot da je med oddajnikom in opazovalcema enako število EM valov. Opazovalca sta v isti točki in med njima so navsezadnje eni in isti EM valovi.

Od enega in drugega opazovalca do oddajnika je enaka razdalja. Posledično sledi, da opazovalca zaznavata enako valovno dolžino EM vala, ne glede na njuni različni hitrosti. Med njima in oddajnikom je enaka razdalja in enako število EM valov.

Opazovalec v avtu izmeri večjo frekvenco EM vala, kot opazovalec ob znaku. Enaka valovna dolžina obeh opazovalcev ter izmerjeni različni frekvenci EM vala pa posledično skladno z enačbo c = f · λ pomenita, da EM val na avto vpade z drugačno hitrostjo kot le-ta vpade na prometni znak.

Instinktivna dilema o hitrosti svetlobe zahteva razumljivo in enoumno pojasnilo. EM valovanje opisujejo Maxwellovi zakoni. Teoretični odgovor na dilemo o hitrosti svetlobe torej lahko ponudijo Maxwellovi zakoni.

Maxwellovi zakoni

Bralec, ki ni vešč matematičnih operatorjev, kot je odvod in Rot, lahko to poglavje preskoči in nadaljuje s poglavjem ‚Svetloba v snovi‘.

V Maxwellove zakone se na primer poglabljajo le redki posamezniki. Večina ljudi razmišlja na osnovi ‚mita‘, namesto razumevanja. Med poznavalci pa so deljena mnenja o tem, ali Maxwellovi zakoni dokazujejo v vseh razmerah enako hitrost svetlobe ali ne.

Maxwellove enačbe vključujejo redkeje uporabljene matematične operatorje, na primer Rot E, zato so ti operatorji v nadaljevanju razloženi in ilustrirani na poenostavljenih primerih.

Voda, ki teče preko brzic, ima glede na naklon terena različne hitrosti. Podobno kot voda preko brzic se v EM valu pretakata električno in magnetno polje.

Različne porazdelitve jakosti električnega polja (E) v točkah prostora lahko razumemo kot naklone električnega polja v prostoru, preko katerih se pretaka magnetno polje. Večji ali manjši nakloni električnega polja v prostoru povzročijo različne pretoke magnetnega polja, to je različne časovne spremembe magnetnega polja, kar lahko opišemo v obliki.

Rot E opisuje, kako se v prostoru od točke do točke spreminja električno polje, δB/δt pa kako hitro se posledično spreminja (pretaka) magnetno polje.

EM val prikazuje diagram na Sliki 15. Maxwell je enačbe zapisal pred odkritjem teorije relativnosti, zato vektorska oblika Maxwellovih enačb ne vsebuje zakonitosti relativnosti. Zapisane so v Galilejevem koordinatnem sistemu. V vektorski obliki Maxwellovih enačb torej ne poznamo pojmov iz relativnosti, kot so skrček prostora (x‘) ali dilatacija časa (t‘).

V vektorski obliki Maxwellovih enačb z dD/dt in dB/dt opisujemo hitrost spreminja električnega in magnetnega polja v neki točki. Prostorsko razporeditev električnega in magnetnega polja, to je obliko krivulje na Sliki 15 in valovno dolžino EM vala pa opisujeta Rot E in Rot H.

Poenostavitev enačb na primeru

Maxwellove enačbe za ilustracijo na izbranem primeru lahko poenostavim tako, da se omejim zgolj na EM val, ki potuje v x smeri, kot to kaže Slika 15. V tem primeru nas zanimajo predvsem krajevne in časovne razmere na x osi koordinatnega sistema.

Četrta Maxwellova enačba se z usmeritvijo EM vala v smeri koordinate x poenostavi v obliko:

dE/dx + dB/dt = 0

Funkcija Rot E se poenostavi v funkcijo odvoda dE/dx. Odvod električnega polja po prostorski koordinati x predstavlja strmino krivulje električnega polja v opazovani točki. Celotna funkcija dE/dx na x osi pa opiše geometrijsko obliko EM vala, s tem pa tudi valovno dolžino EM vala. Časovne razmere EM vala (frekvenco) pa opisuje funkcija dB/dt.

Vrednost člena dE/dx vzdolž valovne dolžine (Slika 15) v Galilejevem koordinatnem sistemu ni odvisna od hitrosti opazovalca. V členu dE/dx ni nobene spremenljivke ali matematične operacije, ki bi nakazovala, da hitrost opazovalca vpliva na obliko in valovno dolžino EM vala. Tudi v primeru EM vala na Sliki 44 tako avto kot prometni znak zaznavata enako valovno dolžino EM vala.

Drugače je s členom dB/dt. Hitrost opazovalca svetlobnega vala skladno z Dopplerjevim učinkom vpliva na frekvenco EM vala.

Člena dE/dx in dB/dt lahko ilustriram na še bolj predstavljivem primeru. Člen dE/dx predstavlja geometrijsko obliko neke krivulje, podobno kot jo ima brazda na gramofonski plošči. Hitrost vrtenja gramofonske plošče ne vpliva na geometrijsko obliko brazde. Ta je takšna kot je in ni odvisna od hitrosti vrtenja plošče. Podobno hitrost opazovalca ne vpliva na geometrijsko obliko (dE/dx) EM vala in s tem na valovno dolžino opazovane svetlobe.

Različne hitrosti vrtenja gramofonske plošče povzročajo različne frekvence gramofonske igle, podobno kot različne hitrosti opazovalca svetlobe povzročajo različne vrednosti člena dB/dt s tem pa frekvence svetlobe.

V Galilejevem koordinatnem sistemu vektorska oblika Maxwellovih enačb posledično določajo, da se ob konstantni valovni dolžini s hitrostjo opazovalca spreminja frekvenca svetlobe. To pa po enačbi c = f · λ kaže na to, da je hitrost svetlobe na ponoru odvisna od hitrosti opazovalca.

Lahko se postavim v izbrano točko na x osi in opazujem EM val. Zaznavam spreminjajoči polji E in B EM vala. Odločim se in stanje električnega in magnetnega polja odčitam vsakič, ko je EM val v valovni fazi π/6.

Opazovanje bližnje krajevne okolice E polja EM vala v fazi π/6, pokaže vrednost dE/dx. Opazovanje bližnje časovne okolice B polja EM vala, pokaže dB/dt v tej fazi valovanja.

Pri mirujočem viru svetlobe izmerim, kar izražajo Maxwellove enačbe, da je dE/dx = - dB/dt.

Pri gibajočem viru svetlobe se dE/dx ohranja, dB/dt pa se spremeni in je odvisen od hitrosti svetila. V enačbi dE/dx = - dB/dt se zaradi vpliva hitrosti opazovalca v opazovani točki torej spreminja člen dB/dt, ne spreminja pa se člen dE/dx. Ob spremenjeni hitrosti opazovalca v opazovani fazi EM vala dE/dx ni več enak-dB/dt. Pri različnih hitrostih vira moramo zapisati Rot E <> -dB/dt.

V enačbi se ne more spreminjati en člen ob konstantnem drugem členu. Pogoj enakosti v enačbi je torej lahko izpolnjen le pri eni sami hitrosti opazovalca, to je v primeru, kadar se vir svetlobe in opazovalec nahajata v istem sistemu opazovanja, to je kadar vir svetlobe miruje.

Maxwellove enačbe za primer gibajočega vira ali ponora svetlobe torej rabijo nadgradnjo, ki določa, kako hitrost vira ali ponora vpliva na polje EM vala.

Tenzorska oblika Maxwellovih enačb

V nadaljevanju vektorsko obliko Maxwellovih enačb nadgradim z zakonitostmi teorije relativnosti. V vektorski obliki Maxwellovih enačb krajevni parameter x nadomestim s parametrom x‘, skladno z relativističnim skrčkom prostora. Ravno tako časovni parameter zamenjam s parametrom t‘, ki ga določa relativistična dilatacija časa.

Za lažje razumevanje naredim še eno poenostavitev. Po teoriji relativnosti se prostor med dvema točkama v primeru oddaljevanja krči po zakonu:

x’ = γ · (x - vt)

V primeru približevanja med njima pa se širi po zakonu:

x’ = γ · (x + vt)

Enačbi poenostavim tako, da opazujem le majhne hitrosti opazovalca, na primer hitrosti, ki ne presegajo 1 km/s, kjer je vpliv hitrosti na γ manjši od 10⁻¹⁰.

Vpliv učinka hitrosti na γ pri majhnih hitrostih je za mnogo velikostnih razredov manjši od učinka ostalih faktorjev. Pri majhnih hitrostih faktor γ zato lahko zaokrožimo na 1 in dobimo poenostavljeni obliki enačb.

x’ = x - vt oziroma x’ = x + vt

Relativnost

Osnovne značilnosti relativnosti prikazuje primer dveh enakih palic, pri katerih vsaka (v primeru mirovanja) meri natanko en meter.

Slika 45 - Opazovalec enako dolgi palici zaradi gibanja vidi različnih dolžin.

Gornja palica na Sliki 45 miruje, spodnja pa se skupaj z opazovalcem, lociranim na levi strani palice, giblje v desno. Dolžino gornje palice opazovalec opazuje v trenutku, ko sta palici poravnani na levi strani.

Za opazovalca spodnja palica miruje, zato ostaja dolga 1 m, zgornja palica pa se opazovalcu zaradi približevanja točke B podaljša na dolžino x’ = x + vt.

Razdalja x je v našem primeru 1 m, t pa je čas, v katerem svetloba preleti razdaljo 1 m, torej t = v/c. Opazovalec mirujočo palico vidi dolgo:

x’= 1 + v/c

Slika 46 - Opazovalec gornjo palico vidi bodisi krajšo bodisi daljšo, odvisno, kje se nahaja.

V naslednjem primeru na Sliki 46 sta v trenutku opazovanja palici poravnani na desni strani. Tudi opazovalec se nahaja na desni strani svoje palice. Točka A na gornjem metru se od opazovalca oddaljuje, zato bo opazovalec zaznal manjšo dolžino zgornje palice od enega metra, to je dolžino x’ = 1 - v/c

V tretjem primeru na Sliki 47 se opazovalce nahaja na sredini spodnje palice in potuje z njo.

Slika 47 - Opazovalec vidi zgolj zamaknjeni enaki dolžini palic, če se nahaja na sredini palice.

Razdalja opazovalca do točk A ali B je pol metra, zato opazovalec zazna razdaljo do točke A (1/2 – v/2c), do točke B pa (1/2 + v/2c).

Vsota obeh razdalj je ½ – v/2c + ½ + v/2c = 1, kar pokaže, da gibajoči opazovalec vidi enako dolžino obeh palic, ne glede na hitrost spodnje palice in opazovalca na njej.

Valovna dolžina

V nadaljevanju namesto dveh palic opazujem valovno dolžino svetlobe, ki jo v enem primeru opazuje mirujoč opazovalec, v drugem primeru pa gibajoč opazovalec, kot to prikazuje Slika 48.

Slika 48- Mirujoč in gibajoč opazovalec s senzorji merita EM polje, s tem pa valovno dolžino svetlobe.

Na mirujočo podlago namestim dva senzorja EM polja na razdalji ene valovne dolžine svetlobnega vala, ki jih na Sliki 48 prikazujeta senzorja d3 in d4. Podobno gibajočemu opazovalcu na enaki medsebojni razdalji namestim dva enaka senzorja d1 in d2. Senzorja sta med seboj togo vezana, tako da ne moreta spreminjati medsebojne razdalje, se pa lahko gibljeta skupaj z opazovalcem.

Kadar se senzorja d1 in d3 nahajata v isti točki, v isti točki merita isto EM polje. Podobno kadar se senzorja d2 in d4 nahajata v isti točki, tudi senzorja d2 in d4 merita isto EM polje v isti točki.

Opazovalca namestim na sredino med detektorja d1 in d2. Posledično sta senzorja d1 in d3 po analogiji izračuna dolžine palic poravnani hkrati s poravnavo senzorjev d2 in d4, ne glede na hitrost opazovalca. Gibajoči opazovalec na Sliki 48 zazna enako valovno dolžino kot mirujoči opazovalec, λ’ = λ, ne glede na hitrost gibanja opazovalca.

Primer enega opazovalca

Za še manj tveganja pri sklepanju poskrbimo, če točki A in B oziroma detektorja d1 in d2 združimo v isto točko. Detektorja na Sliki 48 lahko združimo tako, kot to kaže Slika 49.

Slika 49 - Meritev valovne dolžine svetlobe z istim detektorjem.

Dve polpropustni ogledali sta nameščeni na gibajoči voziček. EM val iz mirujočega vira potuje do detektorja d1, se tam odbije nazaj do prvega polpropustnega ogledala, kjer se še enkrat odbije in potuje do detektorja d2.

Detektorja d1 in d2 sta v isti točki in v tej točki je tudi opazovalec. Opazovalec hkrati opazuje odboj žarka ob detektorju d1 in prihod žarka na detektor d2. Dolžina žarka od detektorja d1 do detektorja d2 se zaradi hitrosti vozička ne spreminja, tako kot se ne spreminja med detektorji na Sliki 48. Posledično lahko povzamem, da je λ’ = λ, ne glede na hitrost gibanja merilnega vozička in opazovalca na njem.

Valovna dolžina svetlobe se ne spreminja

Valovna dolžina svetlobe se ne spremeni niti v primeru vektorske oblike Maxwellovih enačb niti v primeru nadgradnje Maxwellovih enačb z zakonitostmi relativnosti. Dopplerjev učinek vpliva torej na frekvenco svetlobe, ne pa na valovno dolžino svetlobe.

Spreminjaje frekvence svetlobe s hitrostjo opazovalca ali vira svetlobe, ob konstantni valovni dolžini svetlobe, pa po enačbi c = f · λ pomeni, da je hitrost svetlobe na ponoru odvisna od hitrosti vira svetlobe glede na opazovalca.

Na temo opisanih miselnih eksperimentov se po nepotreben lahko razvijejo neskončne razprave. Po nepotrebnem zato, ker je vpliv hitrosti vira svetlobe na valovno dolžino svetlobe enostavno izmeriti. Do enoumnega odgovora lahko torej pridemo z neposrednimi meritvami. Vpliv hitrosti vira svetlobe na valovno dolžino svetlobe na ponoru namreč še ni izmerjen.

Za potrditev teze o vplivu hitrosti vira svetlobe na valovno dolžino svetlobe se lahko uporabi meritev, ki je bila opravljena leta 2007 in je opisana v članku »S. REINHARDT; Test of relativistic time dilation with fast optical atomic clocks at different velocities« in podrobneje opisana na Sliki 61.

Kot osnovo za meritev hitrosti svetlobe pa rabimo klasifikacijo instrumentov, ki pokaže, kateri instrumenti so občutljivi na frekvenco in kateri na valovno dolžino svetlobe. Do te klasifikacije pa lahko pridemo, če si podrobneje ogledamo lastnosti svetlobe v snovi in na uklonski mrežici.

Svetloba v snovi

Svetloba se lahko znajde v mediju, kjer se lomi, odbije, absorbira ali se uklanja na uklonski mrežici.

Lom svetlobe

Svetlobni EM val je za mnogo razredov večji od molekul snovi. Znotraj vsakega EM vala vidne svetlobe je velika množica molekul. Te molekule spremenijo prevodnost prostora za električno polje (dielektričnost) in prevodnost prostora za magnetno polje (permeabilnost).

EM val svetlobe po vpadu v snov, zaradi spremembe električne in magnetne prevodnosti, ni več v optimalnem energijskem stanju. Električne in magnetne sile v EM valu poskrbijo, da se EM val po vpadu geometrijsko preoblikuje v za to snov optimalno energijsko stanje. Po vpadu v snovni medij se svetlobi posledično po prehodnem pojavu skrajša valovna dolžina in zmanjša hitrost. Ko svetloba izide iz medija, se postopek preoblikovanja EM vala dogodi v obratni smeri in svetlobi se povrne hitrost, s katero je svetloba vstopila v medij.

Enako vstopno in izstopno hitrost svetlobe v in iz medija kažejo lastnosti leč. Ostrina slike na teleskopu ni odvisna od hitrosti svetlobe.

Enako vstopno in izstopno hitrost svetlobe na leči v teleskopu pa ne smemo zmotno razumeti, kot vedno v vseh razmerah enako hitrost svetlobe. Ostra slika teleskopa dovoljuje le sklepanje, da je hitrost svetlobe na vstopu enaka hitrosti svetlobe na izstopu iz leče, ne dovoljuje pa sklepanja, da je hitrost svetlobe na vstopu v steklo in izstopu iz njega enaka svetlobni hitrosti.

V primeru loma svetlobe opažamo tudi snovi, kjer je lomni količnik svetlobe manjši od ena. V teh snoveh se hitrost svetlobe ne upočasni, ampak poveča nad svetlobno hitrost[1]. Ta ‚hitra svetloba‘ je poznana že celo stoletje in povzroča pestre razprave med fiziki.

Odboj svetlobe

Ogledalo vsak EM val, ki prispe na parabolično ogledalo teleskopa, usmeri v žarišče teleskopa. Slike vseh nebesnih teles na teleskopu so ostre, ne glede na to, s kakšno hitrostjo svetloba vpade na ogledalo.

Optika teleskopa je lahko enaka za vse svetlobne žarke v primeru, če je odboj svetlobe simetričen. Simetrični odboj svetlobe na zrcalu teleskopa pomeni, da sta vpadna in odbita hitrost svetlobe enaki. Ne pomeni pa, da sta vpadna in odbita hitrost svetlobe enaki svetlobni hitrosti c.

Podobno kot pri lomu tudi pri odboju svetlobe najdemo pojave, ki presenetijo. Na prečno gibajočo površino usmerim dva medsebojno sinhrona žarka koherentne svetlobe. Žarka ustvari laser tako, da le-ta en žarek razdeli v dva žarka, ki pod različnima kotoma padata na površino, kot to prikazuje Slika 50.

Slika 50 - Odboj svetlobe od gibajoče plošče.

Žarek A vpada v smeri gibanja podlage, žarek B pa v nasprotni smeri gibanja podlage. Odbita svetloba na detektorju ustvarja interferenco, kar izkorišča Canonov brezkontaktni merilnik hitrosti podlage.

Detektor ne zazna interferenčnega utripanja obeh žarkov, kar pomeni enaki frekvenci obeh odbitih žarkov na detektorju.

Detektor ob konstantni hitrosti podlage zaznava fazni zamik med žarkoma, ki je odvisen od hitrosti podlage. Fazna razlika med žarkoma na detektorju je lahko le posledica razlik valovnih dolžin odbite svetlobe. Različni valovni dolžini odbite svetlobe ob enaki frekvenci pa pomeni medsebojno različni hitrosti odbite svetlobe.

Uklonska mrežica

Svetlobni EM val ima določeno prostornino, kot kaže Slika 16. Tudi reža ima neko velikost. Izberem tako režo, ki je v velikostnem razredu svetlobnih EM valov in v režo usmerim svetlobo. EM val je prevelik, da bi neovirano prešel režo. Zadene ob njen rob, ta pa mu popači obliko električnega in magnetnega polja. EM val si po prehodu reže obnovi EM polje v obliko, kot mu jo določajo Maxwellovi zakoni.

Huygensovo načelo pravi, da je vsaka točka  valovne fronte vir novega krogelnega vala, ki nadaljuje pot z isto hitrostjo kot izvorni val. Kaj se zgodi, če svetloba na režo vpade s hitrostjo, ki ni enaka svetlobni hitrosti? Ali svetloba v tem primeru sledi Huygensovem načelu in pot nadaljuje z enako hitrostjo, različno od svetlobne hitrosti ? Ali pa se reža obnaša kot vir svetlobe, ki svetlobo izseva s svetlobno hitrostjo. To vprašanje bi bilo brez pomena, če ne bi obstajala meritev, ki daje enoumen odgovor na to vprašanje. V režo naj vstopa svetloba iz gibajočega vira svetlobe, na primer iz turbulentne sončeve korone. Hitrost te svetlobe zaradi turbulenc sončeve korone hipotetično ni nujno enaka svetlobni hitrosti. Meritev naj pokaže, ali svetloba režo zapusti s tako hitrostjo, s kakršno vstopa na režo, ali pa se ji na reži hitrost adaptira na svetlobno hitrost, kot to kaže Slika 51.

Slika 51 - Na reži svetloba svojo hitrost adaptira na c, kadar na režo vpade s hitrostjo, ki je različna od c.

Uklon svetlobe na uklonski mrežici prikazuje Slika 52. Za ta primer je zanimiva uklonska mrežica, ki prepušča svetlobo. Odbojne uklonske mrežice za ta primer niso zanimive.

Slika 52 - Uklon svetlobe na uklonski mrežici.

Svetloba na Sliki 52 po prehodu uklonske mrežice na sredini ustvarja belo črto. To je uklon ničtega reda, ki vsebuje svetlobo vseh valovnih dolžin. Ob straneh je barvni spekter uklona prvega reda, kjer je uklon svetlobe odvisen od valovne dolžine svetlobe.

Svetloba naj na uklonsko mrežico vpada pod kotom. Vpadno valovno fronto svetlobnega žarka prikazuje linija AC na Sliki 53, frontna linija BD pa kaže odhajajočo fronto svetlobe po prehodu mrežice.

Žarek uklona ničtega reda se v laboratorijskih razmerah na uklonski mrežici ne lomi. Premočrtna pot žarka po prehodu mrežice je posledica enakega števila EM valov enake valovne dolžine, tako na relaciji AB, kot na relaciji CD.

Slika 53 - Ob prehodu mrežice se hitrost svetlobe adaptira na svetlobno hitrost, ob tem žarek bele svetlobe spremeni smer.

V nadaljevanju na mrežico usmerimo svetlobo iz turbulentnega vira svetlobe, na primer iz sončeve korone, ali iz pospeševalnika na Sliki 60, to je svetlobo hipotetično različnih hitrosti. Če se ob prehodu mrežice njena hitrost adaptira na svetlobno hitrost, ob tem žarek bele svetlobe uklona ničtega reda spremeni smer. Žarek se lomi.

Ob prehodu mrežice se svetlobi lahko spremeni hitrost, s tem pa tudi valovna dolžina, kot to kaže Slika 51. To pa povzroči, da razdalja AB na Sliki 53 pri enakem številu valovnih dolžin ni enaka razdalji CD, kar vpliva na uklon bele svetlobe.

Viri svetlobe v sončevi koroni imajo pestre hitrosti, kar pa lahko ustvarja različne uklone EM valov na uklonski mrežici. Posledica različnih uklonskih kotov svetlobe na uklonski mrežici pa je povečan raztros svetlobe bele lise.

Hipotezo o vplivu hitrosti vira svetlobe na hitrost svetlobe torej lahko potrdimo oziroma ovržemo z meritvijo. Če na uklonski mrežici zasledimo vpliv hitrosti vira svetlobe na uklon svetlobe ničtega reda, je le-ta lahko le posledica različnih hitrosti vpadne svetlobe na uklonsko mrežico. Primerjamo prepoznavnost bele lise svetlobe v laboratorijskih razmerah s prepoznavnostjo oziroma raztrosom bele lise, ki jo ustvarja svetloba s Sonca, to je vira svetlobe z velikimi turbulencami.

Lastnosti uklonske mrežice torej dajejo možnost merjenja hitrosti svetlobe iz gibajočega vira svetlobe. Na uklonski mrežici na Sliki 51 lahko izmerimo spremembo dolžine svetlobe na uklonski mrežici. Frekvenca svetlobe je enaka pred in za uklonsko mrežico. Iz spremembe valovne dolžine in frekvence pa po enačbi c = f · λ lahko izračunamo spremembo hitrosti svetlobe na uklonski mrežici in posledično hitrost svetlobe pred uklonsko mrežico.

Metodo meritev je podrobno opisana v članku[2] ‚The impact of the light source movement on the EM properties of light’, ki sem ga leta 2011 objavil na WSEAS konferenci v Benetkah, kratek popvzetek[3] merilne metode pa je prikazan in opisan na Sliki 63 tega eseja.

Meritve hitrosti svetlobe

Poti do razkritij fizikalnih zakonitosti so pogosto dolge in prepletene, z mnogimi presenečenji kot s stranpotmi. To velja tudi za razkrivanje hitrosti svetlobe.

Znanosti še najmanj težav povzroča merjenje hitrosti svetlobe, ki prihaja z mirujočega vira svetlobe, to je v razmerah, ko se vir svetlobe in opazovalec nahajata v istem sistemu opazovanja.

Zgodovino meritev hitrosti svetlobe je leta 1997 opisal Philip Gibbs v članku ‚‘How is the Speed of Light Measured?‘‘[4] Opisi omenjenih meritev so razumljivi, zato jih le omenjam. Meritve kažejo, da svetloba v vakuumu vsakokrat zapusti vir svetlobe s hitrostjo 2.99792 10⁸ m/s. To hitrost označujemo s konstanto c in jo imenujemo svetlobna hitrost.

Vse v članku navedene meritve so opravljene v razmerah, ko izvor in ponor svetlobe mirujeta v odnosu drug do drugega in ko na hitrost svetlobe ne vpliva niti magnetno polje niti gravitacija. Hitrosti vira svetlobe, magnetnega polja in gravitacijskega polja pa ne smemo podcenjevati, kar kažejo v nadaljevanju opisani primeri.

Vpliv magnetnega polja na hitrost svetlobe

Sončeve pege so posledica močnih magnetnih polj. Magnetno polje preusmeri žarke sončevega sevanja v različne smeri in s tem zmanjša vidno svetlost Sonca na mestu močnega magnetizma.

Na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani smo merili vpliv magnetnega polja na lastnosti svetlobe na osnovi optičnih interferometrov. Za nekatere od teh meritev smo našli podobne meritve v literaturi, kar nam je olajšalo merjenja. Analizirali smo različne interpretacije že objavljenih rezultatov meritev v strokovnih člankih in na osnovi lastnih meritev skušamo razumeti lastnosti svetlobe.

Vrste optičnih interferometrov

Za merjenje hitrosti svetlobe je primeren Sagnacov interferometer. Poznamo dve vrsti Sagnacovih interferometrov. Eni delujejo na osnovi odboja svetlobe od ogledal (prostozračna izvedba), drugi pa na osnovi optičnih vlaken in optičnega sklopnika (vlakenska izvedba).

Sagnacov interferometer, ki ga prikazuje Slika 54 deluje na osnovi optičnega sklopnika in enorodnega optičnega vlakna.

Slika 54 - Meritev vpliva magnetnega polja na hitrost svetlobe s Sagnacovih interferometrom.

Optični sklopnik razdeli laserski žarek v dva žarka in jih pošlje v nasprotnih smereh v kolut optičnega vlakna. Ko žarka prepotujeta, optično vlakno v kolutu, eden v eni smeri, drug v drugi smeri, jih isti optični sklopnik združi in usmeri proti detektorju. Detektor meri interferenco obeh žarkov.

Za potrebe meritve vpliva magnetnega polja na hitrost svetlobe v optičnem vlaknu smo uporabili 30 cm dolgo tuljavo, v kateri smo ustvarili magnetno polje z magnetno gostoto 20 mT, impulzno za čas 15ms pa do 200 mT. S tem magnetnim poljem vplivamo na žarka svetlobe v optičnem vlaknu Sagnacovega interferometra.

Uporabili smo laserski vir svetlobe tipa HP8168F z valovno dolžino 1550 nm. Svetlobni tok na izhodu iz interferometra smo merili s spektralnim analizatorjem tipa AQ6317.

Kadar EM val svetlobe zaide v magnetno polje, pride do medsebojnega vpliva med električnim in magnetnim poljem svetlobnega vala in zunanjim magnetnim poljem. Ta pojav za svoje delovanje uporabljajo tudi industrijski merilniki.

Meritev električnega toka v daljnovodu

Za merjenje električnega toka v daljnovodu se uporablja Mach-Zehnderjev interferometer tako, da optično vlakno, v katerem potuje žarek, navijemo okrog vodnika električnega toka. Na ta način svetlobni žarek vodimo skozi magnetno polje, ki ga ustvarja tok v daljnovodu. Meritev je opisana v članku Optical Current Sensors for High Power[5] in prikazana na Sliki 55.

Slika 55 - Meritev vpliva magnetnega polja na hitrost svetlobe z Mach-Zehnderjevim interferometrom.

Meritev pokaže različne čase prehoda žarka skozi optično vlakno v odvisnosti od gostote magnetnega polja, ki ga ustvarja električni tok daljnovoda. Nekatera strokovna literatura navaja, da so različni časi prehoda žarka v optičnem vlaknu lahko posledica spremembe dolžine optičnega vlakna po vplivom magnetnega polja (magnetostrikcije).

Ocena vzroka časovnega zamika

Odgovor na vprašanje vpliva magnetnega polja na čas prehoda žarka skozi optično vlakno nudi meritev, ki je opisana v patentu Sensing unit for sagnac optical fibre current sensor[6]. Meritev omogoča merjenje električnega toka v daljnovodu tako, da magnetno polje, ki ga ustvarja električni tok, vpliva na časovni zamik enega in drugega žarka v optičnem vlaknu Sagnacovega interferometra. Način meritve prikazuje Slika 56.

Slika 56 - Meritev toka (vpliva magnetnega polja na hitrost svetlobe) s Sagnacovih interferometrom

Laser svetlobo usmerja na optični sklopnik. Ta jo razdeli[7] v obeh smereh optičnega vlakna. Žarka se vrneta z različnima zakasnitvama, odvisno od električnega toka v vodniku in posledično magnetnega polja, ki ga ta tok ustvarja.

Laser oddaja 100 ns impulze, na detektorju pa merimo časovni zamik vrnitve impulzov enega in drugega žarka neposredno v nanosekundah. Merimo čas zamika med žarkoma in ne interference. Izmerjen časovni zamik je linearno sorazmeren s tokom in magnetno gostoto, v kateri se nahaja optično vlakno.

Izmerjenega časovnega zamika med žarkoma ne moremo pripisati magnetostrikciji. Magnetno polje enako vpliva na dolžino optičnega vlakna za oba žarka, v eni in drugi smeri. Magnetostrikcija bi za enak faktor spremenila dolžino optičnega vlakna za oba žarka in s tem dolžine optičnih poti enega in drugega žarka.

Časovni zamik med žarkoma lahko nastane le zaradi razlik v hitrosti svetlobe tako, da magnetno polje drugače vpliva na hitrost svetlobe v enem in drugem žarku, odvisno od tega, ali svetlobni žarek potuje v smeri magnetnega polja ali v nasprotni smeri magnetnega polja.

Vpliv magnetnega polja na EM valovanje

Magnetno polje na električni tok deluje s silo. Kadar se svetloba pojavi v magnetnem polju, magnetno polje s silo deluje na premikalni tok svetlobnega EM vala. Sila magnetnega polja s tem preoblikuje (popači) EM val. Popačena oblika EM vala pa vpliva na hitrost gibanja EM vala.

V Sagnacovem interferometru en žarek potuje v smeri zunanjega magnetnega polja, drug žarek pa v nasprotni smeri zunanjega magnetnega polja. Različni hitrosti svetlobe v eni in drugi smeri Sagnacovega interferometra kažeta, da pride do različne deformacije svetlobnega EM vala v primeru, kadar svetloba potuje v smeri zunanjega magnetnega polja od deformacije EM vala, kadar svetloba potuje v nasprotni smeri EM vala.

Deformacija svetlobnega EM vala, s tem pa različne hitrosti svetlobe pod vplivom zunanjega magnetnega polja, ni nujno vezana na gibanje žarka v snovi. Posledično sprememba hitrosti svetlobe v zunanjem magnetnem polju hipotetično lahko pričakujemo tudi v vakuumu.

Hitrost svetlobe v gravitacijskem polju

V literaturi opisan gravitacijski rdeči zamik spektralne črte (»Gravitational redshift«) govori o vplivu gravitacijskega polja na spremembo valovne dolžine svetlobe.

Slika 57 - Vpliv gravitacije na hitrost svetlobe.

Če je na Sliki 57 točka B območje večje gravitacije, točka A pa območje manjše gravitacije, literatura[8] navaja, da ima svetloba v točki A večjo valovno dolžino, kot v točki B.

Kako pa je s frekvenco? Pogostost prehodov EM valov skozi točki A in B lahko merimo s pomočjo merjenja časa, kadar pogostosti prehodov EM valov skozi točki ni možno neposredno primerjati. Kadar pogostost prehodov EM valov lahko primerjamo neposredno, brez ure, je merjenje časa odvečno in celo moteče.

Metode merjenja časa, merilni instrumenti in časovne enote (sekunde) so rezultat človeškega ustvarjanja, zato jih lahko oblikujemo in preoblikujemo na mnoge načine, s tem pa lahko izmerimo karkoli. Bolj zanesljivo se je posvetiti neposrednemu sledenju pogostosti dogodkov.

V primeru opazovanja pogostosti prehoda EM valov skozi točki A in B lahko te dogodke spremljamo neposredno. Svetlobo v točki A in B lahko hkrati opazuje opazovalec na Sliki 57. Brez uporabe ure opazi, da v točki A prehajajo EM valovi sinhrono z valovi v točki B. Če bi v prostor med točkama A in B prihajalo več EM valov, kot jih iz njega izhaja, nastane vprašanje nenehnega povečevanja števila EM valov na razdalji AB. Opazovalec na osnovi sinhronega prehajanja EM valov skozi točki A in B ugotavlja enako frekvenco EM valov v točkah A in B.

Hitrost svetlobe določa enačba c = f · λ, pri čemer je c hitrost svetlobe, f njena frekvenca in λ valovna dolžina. Ker literatura navaja, da se s spremembo gravitacijskega polja na poti svetlobe spreminja valovna dolžina svetlobe, ne spreminja pa frekvenca svetlobe, gravitacija vpliva na hitrost svetlobe.

Vpliv radialnega pospeška na hitrost svetlobe

Sagnacov interferometer omogoča merjenje vpliva radialnega pospeška na hitrost svetlobe. Kolut optičnega vlakna na Sliki 54 rotira. Eden od žarkov potuje v smeri vrtenja optičnega vlakna, drug žarek pa v nasprotni smeri. Časovni zamik med enim in drugim žarkom se linearno povečuje z dolžino vlakna, premerom koluta optičnega vlakna in kotno hitrostjo vrtenja koluta[9] Δt = L · D · ω/c²

Interferenčni signal na izhodu interferometra ne utripa pri konstantni kotni hitrosti interferometra. To pomeni enaki frekvenci žarkov na detektorju.

Skladno s PTR zunanji mirujoč opazovalec vidi enaki hitrosti obeh žarkov. V času potovanja žarkov po optičnem vlaknu se detektor premakne. Pričakovan časovni zamik med žarkoma zaradi premika detektorja, ob enaki hitrosti žarkov za zunanjega opazovalca, zaradi v steklu manjše hitrosti svetlobe znaša[10]Δt = L· D ·ω· n²/c² in ne

L · D · ω/c², kakršen je izmerjen.

Izmerjen časovni zamik žarkov v vlaknu Δt = L· D · ω/c² bi lahko ustvarila svetlobna hitrost žarka (c), ne pa za lomni količnik stekla zmanjšana hitrost žarkov v optičnem vlaknu (c/n).

Dilemo pojasnimo tako, da izberemo primeren sistem opazovanja. Ob pravilnem razumevanju pojava mora kateri koli sistem opazovanja dati enako razumevanje pojava. Razlike med sistemi opazovanja so v tem, da nekateri sistemi opazovanja pojav opišejo bolj nazorno in razumljivo, drugi sistemi pa z manjšo preglednostjo dovoljujejo celo zmotne razlage pojava.

Opazovalca postavimo v os vrtečega interferometra tako, da se opazovalec vrti skupaj z interferometrom. V tem sistemu opazovanja laserski izvor, detektor in optično vlakno mirujejo; tudi v primeru vrtenja interferometra. Kljub mirovanju opazovalec zazna časovni zamik med žarkoma.

Izvor časovnega zamika med žarkoma

Žarka v kolutu potujeta po krožnici. Na žarka delujeta radialna pospeška, ki sta posledica hitrosti svetlobe v ukrivljenem optičnem vodniku. Radialni pospešek na en žarek deluje v eni smeri, na drug žarek pa zaradi nasprotne smeri žarka v nasprotni smeri. Temu pospešku moramo prišteti še pospešek na žarek zaradi rotiranja interferometra, ki pa je enak za oba žarka.

Pospešek zaradi vrtenja interferometra se posledično pospešku enega žarka prišteva, od pospeška drugega žarka pa odšteva. Svetlobna žarka v optičnem vlaknu posledično občutita različna radialna pospeška.

Različna radialna pospeška sta lahko odgovor na vprašanje izvora časovnega zamika med žarkoma. Meritev torej pokaže, da radialni pospešek, ki deluje na svetlobna žarka v optičnem vlaknu, vpliva na hitrost svetlobe v optičnem vlaknu.

Hitrost odbite svetlobe od gibajoče podlage

Zasnova Sagnacovega interferometra na osnovi rotirajočih ogledal je prikazana na Sliki 58. Interferometer je sestavljen iz laserskega svetila (L), pol propustnega ogledala (B), ki žarek razdeli v dve smeri proti ogledalom (M) ter detektorja (P), ki na koncu prestreže žarka.

Interferometer se vrti. Žarka se zaporedoma odbijata od ogledal (M) tako, da en žarek potuje med ogledali v smeri vrtenja interferometra, drug žarek pa v nasprotni smeri vrtenja interferometra. Na koncu polpropustno ogledalo oba žarka združi in usmeri v isti žarek proti detektorju (P).

Slika 58 - Sagnacov interferometer na osnovi rotirajočih ogledal

Ob mirujočem interferometru žarka do detektorja prispeta sočasno. Ob vrtenju interferometra pa žarka do detektorja prispeta s časovnim zamikom. Članek Sagnac effect v Wikipediji[11] opisuje, da žarka na Sliki 58 prikazanega interferometra, prispeta do detektorja s časovnim zamikom Δt = 4 · S · ω/c². S je površina ploščine med ogledali, ω pa kotna hitrost vrtenja interferometra.

Za merjenje časovnega zamika med žarkoma lahko uporabimo v članku THE POLARIZATION SAGNAC INTERFEROMETER FOR GRAVITATIONAL WAVE DETECTION[12] opisano merilno metodo. Laser oddaja signal v obliki impulzov. Na detektorju merimo čas, v katerem prispe posamezen impulz na detektor preko prvega in preko drugega žarka. Razliko časov merimo neposredno v časovnih enotah na primer nanosekundah.

Hipoteze o izvoru časovnega zamika med žarkoma

Strokovna literatura zmotno navaja, da časovni zamik med žarkoma povzroča približevanje enega ogledala enemu žarku oziroma oddaljevanje drugega ogledala od drugega žarka.

Kot prvo je ta razlaga v nasprotju s PTR. Približevanje žarka ogledalu namreč lahko razumemo le tako, da hitrosti žarkov do ogledal nista enaki svetlobni hitrosti. Po PTR ima svetloba glede na ogledalo vedno enako, to je svetlobno hitrost, kar izključuje možnost približevanja ali oddaljevanja ogledala žarku.

Kot drugo, se geometrijsko gledano ogledala glede na žarek gibljejo prečno. Približevanje ogledala žarku bi se moralo odraziti v različnih frekvencah enega in drugega žarka na detektorju, česar pa v meritvah ne zaznamo. Enakost frekvenc kaže interferenčni žarek na detektorju, ki ne utripa pri konstantni kotni hitrosti interferometra. Interferenca žarkov torej ne kaže na približevanje žarka k ogledalu.

Čas potovanja enega in drugega žarka

Pri Canonovem merilniku hitrosti podlage, opisanem na Sliki 60, je prikazano, kako prečna hitrost podlage vpliva na valovno dolžino odbite svetlobe ne pa na njeno frekvenco. V primeru opisanega Sagnacovega interferometra imamo podoben primer odbijanja svetlobe od prečno gibajočih ogledal kot v primeru Canonovega merilnika hitrosti podlage.

Pri interferometru, prikazanem na Sliki 58, je detektor (P) nameščen na čim večji oddaljenosti od polpropustnega ogledala (B). S tem so avtorji meritve povečali občutljivost interferometra. Večji časovni razmik med žarkoma na večji oddaljenosti detektorja od polpropustnega ogledala pa pomeni različni hitrosti žarkov na izhodu iz polpropustnega ogledala interferometra do detektorja, kot to kaže Slika 59.

Slika 59 - Različni časovni razmik med žarkoma na različnih oddaljenostih pomeni različni hitrosti žarkov.

Na Sliki 59 je časovni zamik med žarkoma v točki A manjši od časovnega zamika na bolj oddaljeni točki B. Časovni zamik med žarkoma pa je še večji v točki C. To pa je možno le pri različnih hitrostih žarkov, ki izstopata iz interferometra.

Časovni zamik med žarkoma iz interferometra enkrat merimo blizu polpropustnega ogledala, v drugem primeru pa na večji razdalji od ogledala. Primerjava rezultatov meritve časovnega zamika med žarkoma, glede na Sliko 59 pokaže, ali sta/nista hitrosti svetlobe na izhodu iz interferometra med seboj enaki.

Ponesrečeni poskusi meritev hitrosti svetlobe

Svetloba omogoča opazovanje okolice, prikriva pa nam svoje lastnosti. Poznamo nekaj neuspešnih poskusov merjenja hitrosti svetlobe v okoliščinah, ko svetloba prihaja z gibajočega vira svetlobe, gravitacije ali magnetnega polja.

Michelsonov interferometer

Ali eter vpliva na hitrost svetlobe, lahko merimo z Michelsonovim interferometrom. Meritev sta leta 1877 opravila Michelson in Morley[13] in pokazala, da eter ne obstaja in posledično eter ne more vplivati na hitrost svetlobe.

V začetnem navdušenju so avtorji v strokovnih člankih neprevidno in evforično pisali, da so na osnovi Michelsonovega interferometra izmerili v vseh razmerah enako hitrost svetlobe.

Na osnovi Michelsonovega interferometra ni bila nikoli merjena hitrost svetlobe, ki prihaja iz gibajočega vira svetlobe. Fiziki celo dvomijo, da bi ta interferometer zaznal spremembo vpadne hitrosti svetlobe. Sodobni članki (v Wikipediji[14] in drugod) zato ne navajajo, da bi Michelson-Morleyev interferometer lahko zaznal hipotetično različne hitrosti svetlobe iz gibajočega vira.

Neutemeljene trditve izpred sto let pa so fizike celo odvrnile od prizadevanj, da bi poskušali objektivno izmeriti hitrost svetlobe iz gibajočega vira svetlobe.

Meritev svetlobe iz pospeševalnika

Novembra 2011 so v Moskvi[15] skušali meriti hitrosti svetlobe, ki jo seva ciklotron, prikazan na Sliki 60. Literatura jo omenja kot meritev hitrosti svetlobe iz gibajočega vira svetlobe.

Slika 60 - Ponesrečena meritev hitrosti svetlobe iz ciklotrona

Rezultat meritve je pokazal, da svetloba iz pospeševalnika izhaja s svetlobno hitrostjo. V ciklotronu imamo hitro gibajoče elektrone, ki sami ne ustvarjajo svetlobe. Imamo pa tudi glede na ponor svetlobe mirujoče magnete in njihovo mirujoče statično magnetno polje.

Ko elektron zaide v magnetno polje, v magnetnem polju ustvari turbulence. Razburkano magnetno polje se po prehodu elektrona umiri. V nekaterih primerih pa te magnetne turbulence ustvarijo EM val, odvisno od načina vzburjenja magnetnega polja.

Gibajoči elektron ustvarja turbulence v magnetnem polju, nima pa hitrost elektrona vpliva na hitrost nastalega svetlobnega EM vala. Hitrost EM vala določa magnetno polje. Hitrost svetlobe iz mirujočega magnetnega polja ciklotrona ni odvisna od hitrosti elektronov. Opisana meritev torej ne meri hitrosti svetlobe iz gibajočega vira.

Meritev hitrosti svetlobe v pospeševalniku

Gornja metodološka zmota je odpravljena v meritvi hitrosti svetlobe, ki je bila opravljena leta 2007 in je opisana v članku »S. REINHARDT; Test of relativistic time dilation with fast optical atomic clocks at different velocities«.

V cevi pospeševalnika na Sliki 61 potuje litijev ion v enem primeru s hitrostjo 0,03 c, v drugem primeru pa s hitrostjo 0,064 c. Ion na osnovi fluorescence izsevana svetlobo enkrat v smeri gibanja iona, drugič v nasprotni smeri gibanja Li iona.

Slika 61 - Še ena ponesrečena meritev hitrosti svetlobe iz ciklotrona

V smeri gibanja iona v cevi pospeševalnika izsevajo laserske žarke. Merili so interferenco laserskega žarka s svetlobo, ki jo izseva Li ion. S tem so merili razliko frekvenc laserskega žarka in iz Li iona izsevane svetlobe.

Kateri žarek, laserski žarek ali žarek iz Li iona, ima višjo, kateri nižjo frekvenco, so določili na subjektivni osnovi pričakovanega rezultata.

Meritev ne vključuje objektivne metode za merjenja frekvence. Po drugi strani članek izmerjenih frekvenc posamično niti ne navaja. Nedosledna metoda merjenja in izostanek navedbe ključnim rezultatov meritve pa ne dopušča, da bi to meritev razumeli kot znanstveno in utemeljeno.

Meritev valovne dolžine

Merilnik na Sliki 61 omogoča merjenje valovne dolžine svetlobe iz Li iona s pomočjo spektralnega analizatorja. V objavljenem članku ni sledi, da bi avtorji meritve merili valovno dolžino svetlobe iz Li iona, čeprav jo je tehnološko preprosto izmeriti, preprosteje od merjenja frekvence.

Svetloba, ki jo izseva gibljivi vir svetlobe, spremeni le frekvenco, ne pa valovne dolžine, kot je to pojasnjeno na Sliki 51. Spektralni analizator po pričakovanjih ne zazna sprememb valovne dolžine v svetlobi z Li iona, ne glede na hitrost iona. Avtorji meritev so meritev valovne dolžine mogoče opustili ravno zaradi pričakovanja drugačnih rezultatov.

GPS in razpadni čas mionov, …

Objektivnih meritev hitrosti svetlobe v raznih okoliščinah torej ni. Zagovorniki posebne teorije relativnosti se zato oklepajo tudi metodološko dvomljivih načinov dokazovanja v vseh razmerah enake hitrosti svetlobe.

Poznan primer pavšalnega in zmotnega ‚dokazovanja‘ v vseh razmerah enake hitrosti svetlobe je mnenje, da je delovanje globalnega sistema pozicioniranja (GPS) pogojeno z upoštevanjem mehanizmov posebne teorije relativnosti. Pojavljajo se članki, ki trdijo, da GPS ne bi deloval brez upoštevanja zakonitosti posebne teorije relativnosti.

GPS sprejemniki se nahajajo povsod po Zemlji in se zaradi kroženja GPS satelita satelitu bodisi približujejo, kadar je sprejemnik pred satelitom, bodisi od satelita oddaljujejo, ko satelit preleti GPS sprejemnik. Satelit ima do vsakega GPS sprejemnika na Zemlji drugačno hitrost. Raznolikost in stalno spreminjanje medsebojnih hitrosti med satelitom in GPS sprejemniki ne omogoča prilagajanja frekvence signala na satelitu posameznim GPS sprejemnikom. Sama hitrost kroženja satelita okrog Zemlje pa za upoštevanje posebne teorije relativnosti ni pomembna.

Ure na GPS satelitih so popolnoma usklajene. V ta namen se ure na satelitih med seboj stalno usklajujejo. Usklajujejo se tudi z urami na Zemlji. Vzrok odstopanj ure na satelitu so lahko spremembe temperature, staranja elementov v uri in drugih motenj. Ure se med seboj stalno usklajujejo tako, da se uskladijo časi. Poleg tega statistično spremljanje odstopanja posamezne ure povratno vpliva na hitrost teka te ure. Mehanizmi ur ne potrebujejo dodatnega usklajevanja zaradi vpliva posebne teorije relativnosti. Po drugi strani zaradi stalno spreminjajoče hitrosti med sperjemiji in satelitom tako usklajevanje tudi teoretično ni mogoče.

Kot pavšalni dokaz za veljavnost PTR se omenja tudi razpolovna doba mionov. Na Zemlji mioni nastajajo ob razpadu nabitih; pionov v ozračju pod vplivom kozmičnih žarkov. Življenjska doba mirujočih mionov je 2,2 ms.

Frisch in Smith sta merila število mionov na dveh višinah (na vrhu gore in ob morju), med katerima je bilo 1900 m višinske razlike. Pokazalo se je, da sta ob morju izmerila več mionov, kot sta pričakovala na osnovi njihove življenjske dobe. Kadar se mioni na primer gibljejo s hitrostjo, ki je blizu svetlobne, v času razpadne dobe prepotujejo le 660 m. Domnevala sta, da ob morju zaznata več mionov zaradi daljše življenjske dobe, ki je posledica PTR in velikih hitrosti mionov.

Mioni lahko nastajajo na različnih višinah in izmerjen rezultat je prej posledica nepoznavanja razporeditve nastajanja mionov v različnih plasteh ozračja kot posledica zakonitosti PTR.

Ob nejasnih izhodiščnih je možno izoblikovati mnoge špekulativne zgodbe o nastajanju in umiranju mionov. Taka izhodišča, ki ponujajo množico možnih razlag, pa niso primerna za dokazovanje PTR in s tem v vseh razmerah enake hitrosti svetlobe.

Metode merjenja hitrosti svetlobe

Po svetu stotine forumov zagovarja v vseh razmerah enako hitrost svetlobe. Nobena druga znanstvena disciplina ni tako pod udarom in tolikokrat postavljena pod vprašaj. Za tako stanje je kriva stroka, saj hitrost svetlobe, ki prihaja iz vesolja ni verodostojno izmerjena, čeprav za take meritve obstajajo tehnološke možnosti.

Hitrost svetlobe lahko merimo na primer na osnovi ločenega in neodvisnega merjenja frekvence in valovne dolžine svetlobe.

Slika 62 - Hitrost svetlobe lahko izmerimo tako, da ji ločeno izmerimo frekvenco in valovno dolžino.

Frekvenco in valovno dolžino svetlobe iz istega vira lahko merimo ločeno z merilnima instrumentoma, od katerih je eden občutljiv na frekvenco svetlobe, drugi pa na valovno dolžino svetlobe.

Fabry-Pérotov interferometer

Fabry-Pérotov interferometer deluje po principu večkratnega odboja svetlobe med dvema polprepustnima ogledaloma. Na izhodu izide več vzporednih žarkov. Kadar so ti žarki v fazi, se interferenčno ojačijo. Interferenca je odvisna od razmika med ploščama in od valovne dolžine svetlobe, ni pa odvisna od frekvence svetlobe. Izmerjen odklon na FPI interferometru je funkcija valovne dolžine svetlobe f(λ). S FPI interferometrom torej avtonomno merimo valovno dolžino svetlobe.

Uklonska mrežica

Uklonska mrežica je občutljiva tako na frekvenco svetlobe kot na valovno dolžino svetlobe, kot je pojasnjeno na Sliki 53. Vzporedno in hkratno merjenje opazovane svetlobe s FPI interferometrom in uklonsko mrežico omogoča ločeno merjenje frekvence in valovne dolžine svetlobe.

Meritev hitrosti svetlobe iz kometa Hale-Bopp

Avtorji meritev svetlobe, ki jih najdemo v strokovni literaturi, so bili mnogokrat blizu odkritju hitrosti svetlobe iz gibajočega vira svetlobe. Morali bi le še opisati in objaviti rezultate meritev, pa so vsakič od tega odstopili. Tako vse do danes nimamo verodostojnega članka o meritvi hitrosti svetlobe iz gibajočega vira svetlobe.

Na Univerzi Wisconsin[16] so marca 1997 opravili meritev hitrosti kometa Hale-Bopp s pomočjo FPI interferometra. Merili so spektralno črto valovne dolžine 6300,304 A glave kometa. Rezultati meritev so prikazani na Sliki 63. Vodoravna os nad diagramom kaže valovno dolžino. Navpična os predstavlja izmerjeno svetlost svetlobe pri izbrani valovni dolžini.

Rezultat meritve (desni vrh krivulje) kaže, da le neznaten del svetlobe zaradi hitrosti kometa spremeni valovno dolžino. Na Univerzi so kot vzrok za to navedli Rayleighov raztros. Svetloba iz kometa naj bi na poti skozi ozračje zadevala v snovne delce, ki jo absorbirajo in takoj nato oddajo z drugo valovno dolžino[17]. To absorbiranje in ponovna oddaja svetlobe v ozračju naj bi svetlobi vrnilo zamik spektralne črte iz po Dopplerju pričakovane, na raven, kot jo seva mirujoč vir svetlobe.

Če isto spektralno črto s kometa merimo s pomočjo merilnika na osnovi uklonske mrežice, merilnik pokaže pričakovan zamik spektralne črte brez Rayleighovega raztrosa. Rezultat meritve je na Sliki 63 dodan in prikazan v levi krivulji.

Slika 63 - Hitrost vira svetlobe ne vpliva na valovno dolžino svetlobe na ponoru. Vpliva pa na frekvenco svetlobe.

Spektrometer na osnovi uklonske mrežice pokaže hitrost kometa v razredu nekaj deset km/s[18] brez Rayleighovega raztrosa. Pokaže hitrost, kot jo lahko ocenimo tudi na osnovi optičnega opazovanja poti kometa.

Kadar isto svetlobo meri v komet usmerjen FPI interferometer, ne pokaže pričakovanega zamika spektralne črte[19], pokaže ga pa uklonska mrežica.

Merjenje spektralne črte s FPI interferometrom pokaže valovno dolžino svetlobe. Ne zaznavanje zamika spektralne črte pa kaže, da hitrost vira svetlobe ne vpliva na valovno dolžino svetlobe.

Spektrometer na osnovi uklonske mrežice zazna zamik spektralne črte po Dopplerjevem zakonu. Posledično rezultat meritve na osnovi uklonske mrežice lahko pripišemo spremembi frekvence svetlobe iz kometa.

Lastnosti svetlobe iz glave kometa Hale-Bopp so bile izmerjene v zadostni meri, da bi avtorji meritev rezultate meritev lahko sklenili v zapis: Meritev svetlobe s kometa s FPI interferometrom kaže, da hitrost svetila ne vpliva na valovno dolžino izmerjene svetlobe. Meritve iste svetlobe s pomočjo uklonske mrežice pa kaže, da hitrost svetila vpliva na frekvenco svetlobe po Dopplerjevem zakonu.

Sprememba frekvence svetlobe ob nespremenjeni valovni dolžini skladno z enačbo c = f · λ pomeni, da hitrost vira svetlobe vpliva na hitrost svetlobe na ponoru.

Komet je primeren za merjenje hitrosti svetlobe, ker poznamo hitrost vira svetlobe, po drugi strani pa na njem ni turbulenc. S FPI interferometrom merimo valovno dolžino. Frekvenco iste svetlobe merimo na osnovi uklonske mrežice.

Pomen razumevanja hitrosti svetlobe

Razumevanje hitrosti svetlobe lahko industriji olajša razvoj na področju merilnih naprav. Še večji pomen pa ima pravilno razumevanje hitrosti svetlobe na razumevanje vesolja.

Hitrost Sončeve korone

Meritve hitrosti nebesnih teles so v zgodovini postregle s kar nekaj presenečenji, ki so izhajale iz napačnih predstav o hitrosti svetlobe. Omenim lahko meritve hitrosti sončeve korone[20] opravljene v prejšnjem stoletju v Indiji, Rusiji, ZDA, na Japonskem, … Mnogi članki razlagajo, da je Sončeva korona zelo mirna, brez turbulenc, kar ne drži. V Sončevi koroni so stalne turbulence plazme s hitrostjo nekaj deset km/s, v primeru Sončevih izbruhov pa tudi do 1000 km/s.

Hitrosti sončeve korone so merili na osnovi merjenja spektralnih črt z FPI interferometri, ta pa meri valovno dolžino spektralne črte, ki pa se s hitrostjo korone ne spreminja. V meritvah niso zaznali pričakovanih sprememb valovne dolžine spektralne črte. To pa so zmotno razlagali kot mirujočo sončevo korono.

Temna energija

Ob eksploziji supernove nastane svetloba, ki izgine v nekaj tednih ali mesecih. Pri svetlobi iz supernove se povečuje rdeči premik spektralne črte. Nenehno povečevanje rdečega premika spektralnih črt svetlobe iz supernove literatura pojasnjuje kot nenehno pospeševanje supernove. Obstajal naj bi nek neznani vir, ki naj bi supernovo nenehno pospeševal. Fiziki ga imenujejo temna energija, čeprav ne vedo, kaj naj bi to bilo.

Literatura navaja, da vse supernove pospešujejo stran od Zemlje. Ker Zemlja ni privilegirana v vesolju, lahko sklepam, da tako sliko pospešenosti supernove vidijo tudi vsi drugi opazovalci, vsak seveda v smeri stran od sebe, glede na naključno lokacijo opazovalca v vesolju.

Ali supernova sploh pospešuje, če jo vsak opazovalec vidi pospeševati stran od sebe? V razmišljanjih moramo dopustiti možnost, da je pospeševanje supernove lahko le navidezno.

Svetloba se zaradi hitrosti plazme, ki jo ustvari supernova ob eksploziji, giblje s svetlobno hitrostjo glede na delce v plazmi, iz katerih je izsevana. Glede na opazovalca na Zemlji se giblje hitreje ali počasneje od le-te, odvisno kam in s kakšno hitrostjo se je gibal delec plazme, ki je oddal opazovano svetlobo. Svetloba se, gledano s ponora, giblje s svetlobno hitrostjo, spremenjeno za hitrost vira svetlobe.

Slika 64 - Temna energija bo v celoti pojasnjena, ko bo izmerjena hitrost svetlobe iz gibajočega vira.

Svetloba, ki prihaja iz supernove, ima lahko hitrost 1,01 c, kadar delček plazme, ki odda svetlobo, odleti ob eksploziji proti opazovalcu na Zemlji s hitrostjo 0,01 c. Kadar delec plazme ob eksploziji odleti stran od Zemlje s hitrostjo 0,01 c, bo svetloba proti opazovalcu na Zemlji potovala s hitrostjo 0,99 c.

Sliko supernove dobivamo postopoma. Na supernovi, ki je od Zemlje oddaljena milijone svetlobnih let, se lahko dogodi hipna eksplozija, ki pa jo na Zemlji zaradi različnih hitrosti svetlobe ne opazimo kot hipni pojav. Čim bolj je supernova oddaljena, toliko bolj različne hitrosti svetlobe na poti do opazovalca časovno razvlečejo svetlobni pojav.

Daljše trajanje eksplozije supernove opažamo zaradi različnih hitrosti svetlobnih žarkov iz supernove na poti do Zemlje in ne zaradi trajanja same eksplozije. Četudi se eksplozija supernove dogodi hipno, jo zaradi različnih hitrosti svetlobe na Zemlji lahko opazujemo tedne, mesece ali celo leta.

Na Zemljo najprej prispe svetloba z rdečim frekvenčnim zamikom, kasneje z vijoličnim frekvenčnim zamikom spektralnih črt. Spreminjanje frekvenčnega zamika torej ni posledica pospeševanja supernove, ampak posledica postopnega prihajanja svetlobe na Zemljo iz različno hitrih delcev plazme.

Tako razumevanje supernove pa ne potrebuje pojma temna energija. Pojem temne energije je nastal kot posledica zmotnega razumevanja hitrosti svetlobe.

Prehodni pojavi EM valovanja

V literaturi so EM pojavi praviloma opisani v razmerah, ko EM val potuje v vakuumu ali v homogeni snovi. Kadar pa EM val naleti na oviro, ga ovira popači in EM vala nima več oblike, kot jo prikazuje Slika 16. Ob oviri se EM val bodisi razbije, bodisi se absorbira ali pa se EM val popači na drug način.

Ta popačenja so raznotera, težavna za razumevanje in matematično neopisljiva. Primer popačenja EM vala zato skušam razumeti na preprostem in predstavljivem primeru, kjer se EM val niti ne razbije, niti se ne absorbira, ampak se zgolj popači, kot pojasnjuje Slika 65.

Slika prikazuje potovanje EM vala skozi režo v steklu. Na vstopu v režo ima EM val obliko valja, kot to kaže Slika 16, oziroma obliko valja A na Sliki 65. Prikazan pojav je primerljiv z Youngovim poskusom z enojno režo. Val na sliki potuje od leve proti desni.

Slika 65 – Potovanje EM vala skozi režo v steklu

Če je EM val ožji od širine reže, ob prehodu reže ne zadene stekla. V tem primeru skozi režo potuje neovirano brez popačitev, kot to kaže Youngov poizkus z eno režo. Če je reža ožja od EM vala, pa del vala potuje po zraku v reži, del pa po steklu, kot to kaže Slika 65.

Slika 27 prikazuje sile, ki oblikujejo EM val. EM val si lahko predstavljamo kot elastično tvorbo. Če na EM val deluje zunanja motnja ga le-ta popači. Notranje sile pa EM val po prehodnem pojavu povrnejo nazaj v njegovo osnovno obliko.

Različni hitrosti potovanja EM vala v steklu in zraku predstavljata zunanjo motnjo in ukrivita obliko EM vala. Del EM polja, ki potuje skozi zračno režo, želi potovati hitreje, kot del istega vala, ki potuje skozi steklo. Isti val ima torej tendenco potovanja z dvema različnima hitrostma. Zunanje okoliščine na EM val ustvarjajo sile. Notranje sile povezujejo EM val in ga poskušajo ohranjati v obliki valja. Sile znotraj EM vala so v opisanem primeru dovolj močne, EM val ohranjajo pred razpadom. Te sile mu po ukrivitvi skušajo korigirati popačeno obliko nazaj v osnovno obliko.

EM val se po prehodnem pojavu že v sami reži povrne nazaj v optimalno obliko, kot to prikazujeta primera C in D na Sliki 65. EM val v reži kot celota potuje z enako hitrostjo skozi zrak in skozi steklo. Njegova hitrost je manjša od hitrosti svetlobe v zraku in večja od hitrosti svetlobe v steklu.

Ko EM val izide iz reže, se mu hitrost na prehodu iz stekla poveča in ponovno v drugi smeri ukrivi EM val, kot to kaže primer E na Sliki 65. Tudi ta ukrivljenost se po prehodnem pojavu zravna, kar kažeta primera F in G.

Frekvenca nihanja EM vala ni odvisna od medija. EM val niha z enako frekvenco v zraku kot v steklu. Na Sliki 65 vidimo pestro spreminjanje valovnih dolžin EM vala. Različne valovne dolžine ob enaki frekvenci posledično pomenijo pestro spreminjanje hitrosti EM vala (svetlobe) v reži. Hitrost gibanja EM vala se v takih primerih spreminja od točke do točke.

Tako spreminjanje hitrosti EM vala (svetlobe) pa ustvari dvom o veljavnosti Maxwellovih enačb, v razmerah, ko EM val potuje skozi režo. Naklon E polja (Rot E) Maxwellovih enačb povzroča hitrost sprememb magnetnega polja (dB/dt) in obratno. Tudi v primeru popačitev polji E in B na enak način vplivata drugo na drugo.

Polji E in B v primeru EM valovanja v vakuumu rišeta sinusni krivulji. V primeru motenj pa se popačijo oblike EM vala, vendar to popačenost EM vala še vedno opisujejo Maxwellova razmerja med vrednostnima E in B.

Pojavi se še eno vprašanje. V primeru odstopanja hitrosti svetlobe v reži od konstante c se pojavi vprašanje veljavnosti enačbe hitrosti svetlobe, ki izhaja iz dielektričnosti ε in magnetne permeabilnosti μ.

Enačba, ki določa hitrost svetlobe v praznem prostoru glede na vir svetlobe, izhaja iz sil, ki delujejo znotraj EM vala in jo lahko zapišemo v obliki:

Če EM val zaide v okoliščine, ko del vala potuje v steklu del pa v zraku, je njegova oblika popačena na svojstven način tako, da na hitrost gibanja vpliva tako dielektričnost stekla kot dielektričnost zraka ε, kot ε₀ ter obe permeabilnosti μ in μ₀. Oba parametra skupaj EM valu določita hitrost. Hitrost EM vala je odvisna od tega, kakšen del vala potuje v zraku in kakšen del vala potuje v steklu.

Gornja enačba dobi novo obliko. Val je še vedno povezana celota, kjer pa na obliko EM vala vpliva tako permeabilnost in dielektričnost stekla in zraka.

Reference

1 Daniel J. Gauthier, Duke University, and Robert W. Boyd, University of Rochester Fast Light, Slow Light and Optical Precursors: What Does It All Mean?

2 http://www.frozman.si/pdf/WSEAS.pdf

3 http://www.frozman.si/pdf/The_properties_of_light.pdf

4 Philip Gibbs:– ‚‘How is the speed of light measured?‘‘ (1997)

5 Optical Current Sensors for High Power http://www.mdpi.com/2076-3417/2/3/602/pdf

6 Sensing unit for sagnac optical fibre current sensor http://www.google.com/patents/EP2245426B1?cl=en

7 Sklopnik svetlobo razdeli v tri smeri zato, da v celotnem tokovnem območju lahko meri električni tok. Za naše razumevanje zadostuje spremljanje delitve žarka v obe smeri Sagnacovega interferometra.

8 Wikipedija; Gravitational redshift

9 Basac Secmen, SIMULATION ON INTERFEROMETRIC FIBER OPTIC GYROSCOPE WITH AMPLIFIED OPTICAL FEEDBACK, September 2013, http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/1253657/index.pdf

10 Obodna hitrost interferometra znaša r · ω, sešteti obodni hitrosti obeh žarkov pa D · ω. Žarek v vlaknu potuje L · n/c sekund. Vlakno se torej domnevno podaljša za obodno hitrost interferometra krat čas potovanja žarka v vlaknu, kar znaša L · D · ω · n/c metrov. Če podaljšanje vlakna delimo s hitrostjo svetlobe v steklu, dobimo enačbo časovnega zamika Δt = L · D · ω/c² (L- dolžina optičnega vlakna, D- premer optičnega koluta, ω- kotna hitrost vrtenja koluta, n- lomni količnik stekla)

11 Sagnac effect - Wikipedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Sagnac_effect

12 Peter T. Beyersdorf, THE POLARIZATION SAGNAC INTERFEROMETER FOR GRAVITATIONAL WAVE DETECTION January 2001 http://nlo.stanford.edu/system/files/dissertations/peter_beyersdorf_thesis_january_2001.pdf

13 Jose A. Fretre: ‚‘Experiment Of Michelson-Morley And The Original Formula‘‘.

14 ‘’Michelson–Morley Experiment‘‘; http://en.wikipedia.org/wiki/Michelson-Morley_experiment.

15 (Measuring speed of the light emitted by an ultrarelativistic source - E. B. Aleksandrov, P. A. Aleksandrov, V. S. Zapasskii, V. N. Korchuganov, A. I. Stirin)

16 Oddelek za astronomijo (Department of astronomy – WHAM); http://www.wisc.edu.

17 Rayleigh scattering, Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering.

18 Anita L. Cochran, Teksaška univerza: ‚‘Atomic Oxygen in the Comae of Comets‘‘; http://barolo.as.utexas.edu/anita/oxygen2.pdf.

19 ‚‘Large Aperture 6300A Photometry of Comet Hale-Bopp‘‘; http://wisp.physics.wisc.edu/~jpmorgen/hale-bopp/index_old.html oziroma http://www.psi.edu/~jpmorgen/pdf/jpmorgen02_hale-boppOI_poster.pdf.

20 - Delone, Makarova, Yakunina: ‚‘Evidence for Moving Features in the Corona from Emission Line Profiles Observed During Eclipses‘‘, Moskva, 1987. - Raju, Singh, Muralishanker: ‚‘Fabry-Parot Interfereometric Observation of the Solar Corona in the Green line‘‘, Indijski inštitut za astrofiziko, Indija, 1997. - Delone, Divlekeev, Smirova, Yakunina: ‚‘Interferometric Investigations of the Solar Corona During Solar Eclipses and Problems for Future‘‘, Inštitut za astronomijo Sternberg, Moskva, 1998.

O avtorju

Franc Rozman je leta 1973 diplomiral na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Po študiju se je zaposlil v oddelku za raziskave in razvoj v Iskratelu, kjer je bil vodilni načrtovalec programskih rešitev. Objavil je več člankov o izvirnih rešitvah, med katerimi so bili tudi patenti. Razvil je programsko opremo na temelju umetne inteligence za učenje jezikov. Vmes se je poglabljal v zakonitosti fizike v povezavi s filozofijo. Objavil je več knjig, povezanih s to temo. Od leta 2010 je neodvisni raziskovalec na področju fizike.