(Phys.org) — Filozofowie debatowali nad naturą czasu na długo przed Einsteinem i współczesną fizyką. Ale w ciągu 106 lat od Einsteina, dominującym poglądem w fizyce było to, że czas służy jako czwarty wymiar przestrzeni, arena reprezentowana matematycznie jako czasoprzestrzeń 4D Minkowskiego. Jednak niektórzy naukowcy, w tym Amrit Sorli i Davide Fiscaletti, założyciele Space Life Institute w Słowenii, twierdzą, że czas istnieje całkowicie niezależnie od przestrzeni. W nowym badaniu Sorli i Fiscaletti wykazali, że dwa zjawiska szczególnej względności – dylatacja czasu i kontrakcja długości – mogą być lepiej opisane w ramach przestrzeni 3D z czasem jako wielkością używaną do pomiaru zmian (tj. ruchu fotonów) w tej przestrzeni.

Naukowcy opublikowali swój artykuł w najnowszym numerze Physics Essays. Praca opiera się na ich wcześniejszych artykułach, w których badali definicję czasu jako liczbowego porządku zmian materialnych.

Główne koncepcje szczególnej względności – że prędkość światła jest taka sama we wszystkich inercjalnych układach odniesienia oraz że nie istnieje absolutny układ odniesienia – są tradycyjnie formułowane w ramach czasoprzestrzeni Minkowskiego. W tych ramach trzy wymiary przestrzenne są intuicyjnie wizualizowane, podczas gdy wymiar czasowy jest matematycznie reprezentowany przez współrzędną urojoną i nie może być zwizualizowany w konkretny sposób.

W swoim artykule Sorli i Fiscaletti argumentują, że podczas gdy koncepcje szczególnej względności są solidne, wprowadzenie czasoprzestrzeni 4D Minkowskiego stworzyło trwające od stuleci błędne rozumienie czasu jako czwartego wymiaru przestrzeni, któremu brakuje jakiegokolwiek wsparcia eksperymentalnego. Argumentują oni, że dobrze znane eksperymenty z dylatacją czasu, takie jak te pokazujące, że zegary w szybkich samolotach faktycznie poruszają się wolniej niż w spoczynku, wspierają szczególną względność i dylatację czasu, ale niekoniecznie czasoprzestrzeń Minkowskiego czy kontrakcję długości. Zgodnie z konwencjonalnym poglądem, zegary działają wolniej przy dużych prędkościach ze względu na naturę czasoprzestrzeni Minkowskiego jako rezultat zarówno dylatacji czasu, jak i kontrakcji długości. Sorli i Fiscaletti twierdzą jednak, że powolne działanie zegarów może być lepiej opisane przez względną prędkość pomiędzy dwoma ramami odniesienia, które zegary mierzą, a nie których są częścią. W tym ujęciu przestrzeń i czas to dwa oddzielne byty.

Z pomocą zegarów mierzymy numeryczny porządek ruchu w przestrzeni 3D, powiedział Sorli portalowi Phys.org. Czas jest „oddzielony” od przestrzeni w tym sensie, że czas nie jest czwartym wymiarem przestrzeni. Zamiast tego, czas jako numeryczny porządek zmian istnieje w przestrzeni 3D. Nasz model przestrzeni i czasu opiera się na pomiarach i lepiej odpowiada fizycznej rzeczywistości.

Aby zilustrować różnicę między tymi dwoma poglądami na czas, Sorli i Fiscaletti rozważają eksperyment z udziałem dwóch zegarów świetlnych. Mechanizm tykający każdego zegara składa się z fotonu odbijanego tam i z powrotem pomiędzy dwoma lustrami, tak że droga fotonu od jednego lustra do drugiego reprezentuje jedno tyknięcie zegara. Zegary są ustawione prostopadle do siebie na platformie, przy czym zegar A jest zorientowany poziomo, a zegar B pionowo. Kiedy platforma jest przesuwana poziomo z dużą prędkością, to zgodnie ze zjawiskiem kurczenia się długości w czasoprzestrzeni 4D, zegar A powinien się skurczyć, tak że jego foton ma krótszą drogę do przebycia, powodując, że tyka szybciej niż zegar B.

Ale Sorli i Fiscaletti argumentują, że kurczenie się długości zegara A i wynikająca z tego różnica w szybkości tykania zegarów A i B nie zgadzają się ze szczególną względnością, która postuluje, że prędkość światła jest stała we wszystkich inercyjnych układach odniesienia. Twierdzą oni, że przy zachowaniu tej samej prędkości fotonu dla obu zegarów, oba zegary powinny tykać w tym samym tempie, bez skurczu długości dla zegara A. Demonstrują matematycznie, jak rozwiązać problem w ten sposób, zastępując 4D czasoprzestrzeń Minkowskiego przestrzenią 3D, zawierającą transformacje Galileusza dla trzech współrzędnych przestrzennych X, Y i Z oraz równanie matematyczne (formalizm Selleriego) dla transformacji prędkości zmiany materii, która jest całkowicie niezależna od współrzędnych przestrzennych.

Sorli wyjaśnił, że ten pomysł, że oba zegary fotonowe tykają w tym samym tempie nie jest sprzeczny z eksperymentami z latającymi zegarami i innymi testami, które zmierzyły dylatację czasu. Ta różnica, on mówi, jest spowodowana różnicą między zegarami fotonowymi i zegarami opartymi na atomie.

Ształtowanie zegarów fotonowych w szybszych układach inercyjnych nie zwolni w odniesieniu do zegarów fotonowych w układzie inercyjnym spoczynku, ponieważ prędkość światła jest stała we wszystkich układach inercyjnych, powiedział. Tempo zegarów atomowych spowolni, ponieważ „względność” zjawisk fizycznych zaczyna się w skali mezonów pi.

Wyjaśnił również, że bez kontrakcji długości, dylatacja czasu istnieje, ale w inny sposób niż zwykle się sądzi.

Dylatacja czasu istnieje nie w tym sensie, że czas jako czwarty wymiar przestrzeni rozszerza się i w rezultacie tempo zegara jest wolniejsze, wyjaśnił. Dylatacja czasu oznacza po prostu, że w szybszym układzie inercjalnym prędkość zmian spada i dotyczy to wszystkich obserwatorów. GPS potwierdza, że zegary na stacjach orbitalnych mają inne tempo niż zegary na powierzchni planety, a różnica ta jest ważna dla obserwatorów, którzy znajdują się na stacji orbitalnej i na powierzchni planety. Tak zinterpretowana „dylatacja czasu” nie wymaga „kontrakcji długości”, która jak pokazujemy w naszej pracy prowadzi do sprzeczności przez zegary świetlne różnie ustawione w poruszającym się układzie inercyjnym.

Dodał, że alternatywna definicja czasu zgadza się również z pojęciem czasu matematyka i filozofa Kurta Gödla.

Definicja czasu jako liczbowego porządku zmian w przestrzeni zastępuje 106-letnią koncepcję czasu jako wymiaru fizycznego, w którym przebiega zmiana, powiedział Sorli. Uważamy, że czas jest tylko matematyczną wielkością zmiany, którą mierzymy za pomocą zegarów. Jest to zgodne z poglądem Gödla na czas. Do 1949 roku Gödel przeprowadził niezwykły dowód: 'W żadnym wszechświecie opisanym przez teorię względności, czas nie może istnieć'. Nasze badania potwierdzają wizję Gödla: czas nie jest fizycznym wymiarem przestrzeni, przez który można by podróżować w przeszłość lub przyszłość.

W przyszłości Sorli i Fiscaletti planują zbadać, jak ten pogląd na czas pasuje do szerszego otoczenia. Zauważają, że inni badacze próbowali znieść ideę czasoprzestrzeni na rzecz oddzielnych jednostek przestrzeni i czasu, ale często sugerują, że ta perspektywa jest najlepiej sformułowana w ramach eteru, fizycznego medium przenikającego całą przestrzeń. W przeciwieństwie do nich, Sorli i Fiscaletti uważają, że idea ta może być lepiej modelowana w ramach trójwymiarowej próżni kwantowej. Zamiast postrzegać przestrzeń jako medium przenoszące światło, propagacja światła jest regulowana przez elektromagnetyczne właściwości (przenikalność i przenikalność) kwantowej próżni.

Rozwijamy model matematyczny, w którym grawitacja jest wynikiem zmniejszonej gęstości energii kwantowej próżni 3D spowodowanej obecnością danego obiektu gwiezdnego lub ciała materialnego, powiedział Sorli. Masa inercyjna i masa grawitacyjna mają to samo pochodzenie: zmniejszoną gęstość energii w próżni kwantowej. Model ten daje dokładne obliczenia dla precesji peryhelium Merkurego jako obliczenia ogólnej teorii względności.