Zaprvé, předtím než ti řeknu, jak to s tou teorií relativity a dilatací času skutečně je, bych rád věnoval nějaký čas pojednáním o povaze tvých názorů. Myslím si, že by to pro tebe mohlo být hodně přínosné, co se týče chápání přírodních věd. Budu to ilustrovat na jednoduchém příkladě.
Představ si hypotetický svět, ve kterém existuje tzv. Tajemná Černá Skříňka. To je taková černá krabička, která má zepředu dva otvory. Tyhlety otvory střídavě blikají, podobně, jako světla na železničním přejezdu, nejdřív jeden, potom druhý, pak zas první a takhle pořád dokolečka. Předpokládejme, že neexistuje žádná možnost se podívat dovnitř té krabičky. I sejdou se nad touto krabičkou vědci hypotetického světa, a začnou budovat své hypotézy o tom, proč to tak funguje (míněno, jak si asi představit vnitřek krabičky, i když nejspíš není způsob, jak se dovnitř podívat). Hypotéz je mnoho. Jsou tu například zastánci teorie, že uvnitř sedí malí trpaslíci, kteří mají do děr nastavené své lucerny a střídavě je zapínají a vypínají. Další razí tzv. kyvadlový model. Předpokládají, že uvnitř je kyvadlo, jehož konec svítí. Jak kyvadlo kývá, tak se střídavě objevuje v jedné a druhé dírce, a tak se dírky rozsvěcí střídavě. Třetí skupina razí teorii, že pro svět je nepřirozené aby obě dírky byly rozsvícené současně (stav stejnosti) nebo obě nesvítily (stav nicoty). Není však ale možné, aby svítila pořád jen jedna, protože to by se porušila určitá přirozená rovnováha, kterou vidíme i na jiných věcech. A sice zrcadlení. Proto se dírky ve svém svícení střídají. Poslední skupina vědců zase vypracovala představu, že dírky ve skutečnosti svítí obě najednou, ale napůl, protože ale nemůžeme vnímat poloviční svícení, vibračně se polarizuje se prostor mezi dírkami a slévá světelné proudy střídavě na jednu a na druhou stranu, jako by se tam přelévaly vlny.
Ponaučení první: Jeden a ten samý fyzikální jev, lze popsat nekonečně mnoha způsoby.
Pamatujme, do krabičky se nejde dostat.
Jaké je to ale s vědeckostí takových modelů? Jsou všechna uvedená tvrzení hodna nálepky "věda"? Odpověd je ano! Základním kritériem na to, zdali je nějaké tvrzení vědecké je, je-li vyvratitelné. Jinými slovy, musí existovat nějaký experiment, nějaký jev, který pokud nastane, tak tvrzení nemůže být platné. Toto všechna uvedená tvrzení splňují. Všechna totiž vyslovují jasnou výstupní _předpověď_, že se něco stane (dírky budou střídavě svítit). Takže pokud se to nestane, budou vyvrácena. Tedy má smysl se o nich bavit a z hlediska nejhlubšího věděcky-filosofického, jsou si rovnocenná.
Jiná otázka je, jak to potom ve skutečnosti mezi vědci chodí. Po několika letech hypotetičtí vědci v hypotetickém světě postupně odvrhli jak teorii stejnosti a nicoty, tak slévání světelných proudů, protože jim _čiste z praktického hlediska_ přislo zbytečné trávit tolik času vysvětlováním poměrně jednoduchého jevu. Zároveň zastánci trpasličí teorie mírně modifikovali svůj model, protože shledali trpaslíky nadbytečnou kudrlinkou. Popisují teď situaci tak, že jsou v obou dírkách lampičky s omezenou dobou svícení, spojené nějakým drátkem, signální cestou. Když jedna zhasne, vyšle signál druhé, a ta se rozsvítí, pak zhasne, atd.
Ponaučení druhé: Ve věde mají tendenci přežívat jednoduché teorie. Jak z praktických, estetických, tak i filosofických důvodů. Klíčové slovo: Occamova břitva.
Netřeba dodávat, že každá ze dvou soupeřících teorií vypracovala korektní matematický model událostí. Na chování světel jsou napsané rovnice. Žárovkisté vypracovali funkce popisující omezenou dobu svícení žárovky v dírce a šírení signálu mezi nimi. Kyvadlisté vzali standardní rovnice, kterými se popisuje pohyb kyvadel a spočítali jaké přesně parametry má to kyvadlo, které je uvnitř krabičky. Pozorovatelné vysledky obou modelů se shodují.
Ponaučení třetí: Protože matematické rovnice kyvadlistů, jsou navlas stejné, jako rovnice pro skutečná kyvadla, můžeme tedy usuzovat, že je uvnitř skutečně kyvadlo? NE! Dokud není krabička otevřena (a ani to nejde), nemůžeme usuzovat vůbec nic.
Má vůbec smysl uvažovat o tom, jestli je uvnitř krabičky skutečně kyvadlo? Spíše ne. Má smysl uvažovat o tom, jestli kyvadlová rovnice která toto chování modeluje, dokáže dostatečně správně předpovídat realitu. Jestli však naše _představa_, naše _přirovnání_, které nám pomáhá tu rovnici pochopit, je skutečně správné, je z hlediska praktického, docela dobře jedno. Pokud je ta krabička například mikroskopických rozměrů, třeba i víme, že tam skutečné kyvadlo nemůže být, ale představujeme si, že tam je něco jako "mikroskopická analogie kyvadla". To však nemá žádný další vliv na vědeckost teorie. Neboť, jak jsme si již řekli, důležité jsou předpovědi, a ty se nemění a ty jsou dány kyvadlovou rovnicí.
Pokračování příběhu. V hypotetickém světe se v průběhu let dostala žárovková teorie do ústraní. Sice její rovnice stejně dobře předpovídaly daný jev, ale kyvadlová teorie byla pro lidi tak nějak stravitelnější na představení. Krabičce se proto začalo dokonce říkat "kyvadlová krabička". 98% laické populace, která kyvadlovou krabičku zná, je přesvědčena, že tam to kyvadlo je, stejně tak jako 60% vědecké populace.
Ponaučení čtvrté: U většiny teorií dnes existuje nějaká privilegovaná interpretace. Některé jsou intuitivní, protože se týkají věcí, které jdou nahmatat vlastníma rukama. Spousta představ a interpretací se ale týká i věcí, které si človek ošahat nemůže a na vlastní smysly je nikdy nepocítí. Přesto si je poměrně živě představuje na základě privilegovaných interpretací a žije v přesvědčení, že to co si o tom představuje, je skutečnost, přestože o skutečnosti ve skutečnosti nelze nic jistého říct a to co si představuje, je spíš akorát nějaká _analogie_.
Ponaučení páté: Pro laický svět vzniká spousta populární literatury o různých atraktivních tématech. Tahle populární literatura neobsahuje zpravidla skoro žádnou matematiku, protože by to jinak cílová skupina nemohla pochopit a ani tedy to ani nečetla. To není obecně na škodu. Taková populární literatura zpravidla rozebírá právě ty privilegované interpretace jevů, které jak jsme si řekli, jsou často jen pouhé analogie. To také obecně není na škodu, protože jsou to často analogie velice dobré a funkční, takže i obyčejný člověk může zhruba pochopit, jak to tak asi chodí po kvalitativní stránce. Zpravidla však nabývá dojmu, že tyto analogie jsou realitou. Ale pojem reality je v tuto chvíli dost slabý a je otázkou, jestli vůbec má cenu strávit úsilí zjišťováním, jestli je tam skutečně kyvadlo, nebo žárovky, pokud z obou přístupů plyne stejná předpověď a pokud je třeba daný objekt mimo náš smyslový rozsah. To, co je ve skutečnosti prakticky důležité, jsou rovnice, které jev popisují. Slovní interpretace nám pouze pomáhá je lépe vstřebat.
Filosofická poznámka: Když věci dovedeme do krajnosti, není v principu možné vysvětlit "skutečnou podstatu" libovolného jevu, ať je slovem "skutečná podstata" myšleno cokoli. Když se budeme ptát, "proč se tak děje", proč se kýve kyvadlo, řeknou kyvadlisté, protože "věci tíhnou k zemi". Zeptáme se tedy "proč věci tíhnou k zemi"? Každá další otázka sice může mít smysluplnou odpověď ale stále se můžeme ptát "proč". Neexistuje konec tohoto procesu. Současná věda tedy nepěstuje odpovědi na otázky "proč", ale snaží se pěstovat co nejjednodušší _modely_, předpovídající skutečné jevy. Tyhle modely se dělají v duchu Occamovy břitvy co nejjednodušší a nejlepší je, pokud k nim existuje i nějaká hezká analogie z hmatatelného světa, stejně jako rovnice kyvadlistů odpovídá rovnicím skutečných kyvadel. Ale mějme pořád na paměti, pořád to jsou jen modely, rovnice, o kterých nelze říct, že odpovídají na otázku "proč".
Pokračování příběhu: Jak plynul čas, tak se měření zpřesňovalo. Byly detailně proměřovány doby svícení obou dírek. Zaprvé se zjistilo, že mezi okamžikem, než zhasne jedna a rozsvítí se druhá, je krátká prodleva. To hrálo do karet víc kyvadlistům, protože jejich kyvadlo prodlevu vysvětluje elgantněji, kdežto žárovkisté musí zavést konečnou rychlost šíření signálu. Další proměřování odhalilo, že ani doby svícení nejsou stejné. Doba svitu každé z děr se různě periodicky prodlužuje a zkracuje. Kyvadlisté s vypětím sil dokázali přijit s upraveným modelem kyvadla, který tyto malé nesrovnalosti objasnil. Vypracovali představu, že se po kyvadle svisle pohybuje další závaží, které dobu kmitu kyvadla nepatrně periodicky mění. Žárovkisté, ač v menšině, kontrovali s proměnnou rychlostí šíření signálu (která není zdaleka tak elegantní, proto zůstali dost v menšině). Obecně se došlo k závěru, že předchozí představy o jednoduchosti systému uvnitř krabičky byly chybné a ve skutečnosti je to proces daleko složitější.
Ponaučení šesté: Existují velké vědecké revoluce? Ne! Přestože se člověku z leckterých médií může zdát, že nějaká taková nastala, že všechno dosavadní poznání bylo špatně a teď je všechno jinak, není to pravda. Pokud není nějaká teorie vyvrácena rovnou a celkem solidní dobu se drží a až za nějaký čas se zjistí, že tu jsou nějaké nesrovnalosti, znamená to sice, že je to špatný model, nicméně v rámci určitého rozsahu přesnosti pořád platí! A často je to stále ten jednoduchý model, který se celosvětově používá pro 99% praktických aplikací. Ve skutečnosti je to tak, že ke každé vědecké teorii je implicitně připevněn papír s předmluvou, která praví něco v tom smyslu, že "tato vědecká teorie souhlasí s experimentálními výsledky týmů celého světa, s přesností takovou a takovou, ke dni 27.5.2011".
Občas se může zdát, že nastala vědecká revoluce právě kvůli tomu, že se změnila ta privilegovaná interpretace. Že se najednou o všem mluví v úplně jiných pojmech a používá se úplně jiná analogie, jiný model. Ale jak jsme si již ukázali, podstatou teorie není ta konkretní analogie, ale matematický popis dávající korektní předpověď.
Pokračování příběhu: Po dalších letech studia černé krabičky, se stalo něco skutečně neočekávaného. Zhruba po deseti miliardách přebliknutí se zničehonic na chvíli rozsvítila světélka obě najednou, několik vteřin tajemně zářila, aby po chvíli pokračovala v dalším poslušném pravidelném blikání. Vědecký svět byl vržen do zmatku a nejistoty. Kyvadlistům ani žárovkistům se stále nedaří vytvořit nějaký rozumně představitelný model toho, proč zrovna po deseti miliardách přebliknutí se rozsvítí obě dírky. Zkoušeli více kyvadel, zkoušeli prapodivné tvary, zkoušeli všechno. Na kyvadlovou a žárovkovou teorii se nalepila předmluva s textem "platí v 99,9999% případů". Pokud však jde o matematickou formulaci, ta prostě realitu vzala v potaz a na analogii nehleděla. Matematické rovnice se upravily jen trošku, tak, aby každých deset miliard bliků rozsvítily obě dírky a bylo vymalováno.
Ponaučení sedmé: Nikdy nevíme co příjde. V teoriích o chování přírody nemůžeme užít spojení "experimentem bylo dokázáno...". Nemůžeme tvrdit, že "bylo vědecky prokázáno, že věci padají na zem", protože po deseti miliardách bliknutí můžeme zjistit, že jsme se mýlili. Nikdy si nemůžeme být jisti. Ve skutečnosti jediná možná pozitivní známka, kterou můžeme vystavit vědecké teorii, je "zatím experimentem nevyvráceno".
Ponaučení osmé: Stala se další zajímavá věc. Objevili jsme jev, pro který nedokážeme najít uspokojivou přesvědčivou analogii. Co bylo krásného na teorii kyvadlistů? No přece to, že jejich rovnice se dokonale shodovaly s rovnicemi pro kyvadlo, které známe z běžného života. S novými poznatky, se rovnice upravily a jsou připraveny pro další praktické předpovídání světa. Už ale neexistuje kyvadlo, které by jim bylo analogické. Ale je to překvapivé? Je překvapivé, že uvnitř nedobytné černé skříňky se bude dít nějaký proces, který známe z běžného života? Proč by měl? Bylo by spíše překvapivé, kdyby se tam takový děl. A proto máme na světě jevy, na které jsou analogie krátké, ale ke kterým máme naprosto jasné rovnice, které je předpovídají.
Co je tedy vědecké bádání? Není to spor mezi kyvadlisty a žárovkisty, jaká analogie je skutečně pravda. To, o co tu skutečně jde, je správná formulace matematických rovnic, které předpovídají korektně výsledky experimentů. Bádá se nad tím, jak to udělat co nejelegantněji a když je to celé ještě hezky přirovnatelné k nějaké věci známé z běžného života, tak je to vítaná, ale nikoli nutná třešnička na dortu.
Příkladů ze života, k výše uvedenému příběhu, je víc než dost. Stačí vzít libovolnou teorii o něčem, co si nemůžeme na vlastní ruce ohmatat. Příklad analogie, o které většina lidí předpokládá, že je to realita a nějak si to představuje, je třeba: čtyřrozměrný prostoročas, libovolné silové pole, atomy, elektrony, kvarky a další elementární částice ... atd. atd.
Příkladem teorie, která se vzpírá libovolné analogii, která by odpovídala zdravému rozumu, je třeba kvantová teorie.
Dodatek: Poslední dobou se začínají čas od času vědci v hypotetickém světě zamýšlet, nad teorii tzv. Superozubených kol. Ta spočívá v tom, že by uvnitř krabičky byl systém ozubených kol ovládajících žárovky (názory se různí, někteří říkají 6, někteří 13, někteří 120), který pracuje právě tak, že jednou za deset miliard bliknutí se rozsvítí na chvíli obě. Tato teorie je však dost komplikovaná, většina vědecké komunity jí tedy zatím nepřijímá. Také proto, že dostat z ní nějakou předpověď je strašně komplikované.
Tak, a teď tedy k tvému okamžiku osvícení. To co jsi popsal, není ta privilegovana interpretace, která se běžně užívá. Na to je na ní příliš mnoho kudrlinek :) Samozřejmě, je tu jistá šance, že tvoje analogie je možná, že by dokázala vysvětlit to samé, co speciální teorie relativity, ale popravdě mi přijde příliš nekonkrétní, mlhavá a nejsem schopný z ní vyvodit nějaké pozorovatelné důsledky. Můžeš sice mluvit o monádách ve stavu možnosti, ale vzpomeň si na první generaci vědců zkoumající černou krabičku. Modelů je mnoho, a na čem ve skutečnosti záleží, jsou pozorovatelné předpovědi. Pokud si myslíš, že taková analogie dokáže skutečně něco předpovědět, tak ti klidně můžu položit pár otázek, ty mi řekneš, jak by podle tvého modelu měla situace dopadnout a já ti řeknu, jestli to je stejné, jako ve speciální relativitě, nebo ne :) I kdybychom se neměli bavit o konkrétních číslech, ale stačilo by klidně i kvalitativně. Ale popravdě tomu moc šancí nedávám :)
No a teď ti zkusím vyložit, co nejořezanější tvrzení speciální teorie relativity. Nejřív si ale musíš umět představit klasickou Newtonovskou fyziku.
1) Máš velký čtverečkovaný papír, ve třech rozměrech a normální ubíhající čas.
2) Na tomhle pískovišti bydlí různé objekty. Které na sebe mohou vzájemně působit. To působení se jmenuje "síla".
3) Když na něco působí síla, tak to zrychluje, zpomaluje, nebo aspoň zatáčí.
4) Když ne (nebo se síly vyruší), tak to letí furt rovně stejně rychle.
5) Když přilepíme svůj pohled do libovolného objektu z bodu 4) (tomu se říká inerciální vztažná soustava), platí všechny pravidla úplně stejně (věci se ale vůči nám můžou pohybovat třeba jinak rychle, než předtím, když nasedneme třeba do jedoucího auta).
No a speciální teorie relativity z toho vznikne, přidáme-li další pravidlo:
6) Existuje určitá maximální dosažitelná rychlost, kterou nazveme "rychlost světla", protože shodou okolností máme nějaké světlo, které se touhle rychlostí právě pohybuje.
Žádná hlubší myšlenka v tom není.
Zvídavý čtenář se ale zeptá, "no jo, ale vůči čemu se měří ta maximální rychlost? Co když nasednu do auta?" Odpověď je: "vůči libovolné inerciální vztažné soustavě, vžyť přece platí pravidlo 5) ). Takže i když nasednu do auta, tak kolem mě bude lítat světlo rychlostí světla. I když nasednu do raketoplánu. Nic se nezmění.
No, a když se tenhle jednoduchý požadavek domyslí do detailu a povolí se se trochu uzda času, zjistí se, že způsob, jak to splnit, je všechna ta související sranda, která se běžně spojuje se speciální teorií relativity, jako dilatace času, kontrakce délek, relativita současnosti atd.
Ano, je tam ještě pár dodatečných předpokladů, ty jsou ale celkem samozřejmé a každý rozumný člověk by s nimi souhlasil.
Takže asi tak :)