Abstract

Kapitola 3

Hafele-Keatingův Experiment

„Zejména jsem si všímal běžné praxe, že nejsou přezkoumávány základní předpoklady, na nichž staví nějaká teorie, jakmile získá status ‚přijata‘, téměř bez ohledu na to, jak neslučitelná s touto teorií jsou nějaká nová pozorování nebo experimenty. A viděl jsem silné nezcizitelné zájmy na ‚statusu quo‘, které se vytvořily kolem jistých přijatých teorií.“

Tom Van Flandern

Popis experimentu

Další experiment, o němž bude pojednáno, je Hafele-Keatingův ("H-K") experiment z roku 1971, který byl představen v první kapitole. V tomto experimentu je umístění pozorovatele „v klidu“ (tj. vztažná soustava nebo souřadnicový systém „v klidu“) mnohem významnější než bylo u SLAC. Je to proto, že rychlosti objektů v H-K nejsou blízké rychlosti světla, takže - na rozdíl od SLAC – je umístění vztažné soustavy v klidu velmi důležité. Rychlosti objektů v H-K jsou vlastně nižší než je rotační rychlost země.

Hafele a Keating nechali letět čtyři atomové hodiny kolem světa v komerčních proudových letadlech; nejdříve všechny čtyři hodiny letěly na východ kolem světa, potom letěly na západ kolem světa.

Po skončení experimentů Hafele a Keating publikovali dva články v jednom vydání časopisu Science. V prvním článku jsou podrobně popsány předpovědi časových změn u atomových hodin vlivem jak kinematických (speciální relativita), tak gravitačních (obecná relativita) účinků. Bylo nemožné udělat tyto předpovědi před dokončením experimentů, protože nemohli dopředu vědět, jak rychle proudová letadla poletí nebo v jaké poletí výšce, atd.

V druhém článku uvedli skutečná data naměřená v experimentech. V tomto článku bylo nemožné oddělit skutečné časové rozdíly u hodin způsobené gravitačními a kinematickými (tj. rychlost a směr) účinky, protože u hodin nešlo vyvolat tyto účinky odděleně. Takže jejich předpovědi obsahovaly oddělené gravitační a kinematické účinky, kdežto skutečná data toto rozdělení obsahovat nemohla. Zde jsou předpovězená data, založená na skutečných letových datech proudových letadel:

Predicted Data	Direction of Airplanes
Effect	Eastbound	Westbound
Gravitational	144 +/- 14	179 +/- 18
Kinematic	-184 +/- 18	96 +/- 10
Net	-40 +/- 23	275 +/- 21

Skutečná data jsou následující: hodiny letící na východ ztratily 59 +/- 10 nanosekund a hodiny letící na západ získaly 273 +/- 7 nanosekund. Autoři měli pocit, že experiment byl velmi úspěšný – a to byl.

Zvláště si všimněte, že atomové hodiny, které letěly letadlem na západ, skutečně běžely rychleji než stacionární hodiny vlivem kinematických účinků, ale hodiny letící na východ šly pomaleji než stacionární hodiny vlivem kinematických účinků. Směr letu neměl žádný vliv na gravitační část jejich předpovědí s výjimkou, že letadla letící na západ musela letět v jiné průměrné výšce (bezpochyby výše) než letadla letící na východ. Nebo ve hře mohly být ještě další faktory, jako třeba zeměpisná šířka.

Nyní upřesněme, proč rotace země byla skutečnou příčinou stojící za důležitostí směru, kterým letadla letěla.

Nákres v článku od Hafelea, který byl poslán vydavateli nepochybně před uskutečněním jeho experimentů v říjnu 1971, jasně ukazuje, co mínil svým „nerotujícím pozorovatelem, který se dívá dolů na Severní pól z velké výšky.“^[9] Tento obrázek také vysvětluje, proč byl směr tak důležitý. Stejný koncept popíši s použitím středu země jako referenčního bodu „v klidu“. Ve skutečnosti každý bod na prodloužené imaginární ose země mohl být použit jako referenční bod „v klidu.“

Kdyby nerotující osoba seděla ve středu země a dívala se na hvězdy (předpokládejme, že země je dutá), tato osoba by si myslela, že stojí a že stacionární atomové hodiny, ležící na povrchu země jsou v pohybu. Ze Severního pólu země rotuje proti směru hodinových ručiček. Osoba ve středu by byla zároveň ve středu rotujícího disku (rovník by představoval okraj disku) a z pohledu té osoby by se stacionární atomové hodiny pohybovaly „na východ.“

Pro názornost použijme „zaokrouhlených čísel“ (tj. aproximace, abychom se mohli soustředit na podstatu) a předpokládejme, že obvodová rychlost země na rovníku je 1000 mph (miles per hour = mil za hodinu). Kdyby nerotující osoba seděla ve středu země a dívala se na hvězdy, jevilo by se jí, že stacionární atomové hodiny na rovníku letí - vlivem rotace země - rychlostí 1000 mph na východ. Vypadaly by velmi podobně jako satelit.

Takže, kdyby letadlo letělo rychlostí 350 mph nad rovníkem na západ, osoba ve středu země by viděla, že letadlo se pohybuje rychlostí 650 mph na východ.

Protože se hodiny v letadle letícím na západ pohybují pomaleji než stacionární hodiny (650 mph na východ proti 1000 mph na východ) vzhledem k tomuto pozorovateli, podle SR, hodiny v tomto letadle běží rychleji než stacionární hodiny. To pozorovali Hafele a Keating.

Podobně se osobě ve středu země jeví, že letadlo letící na východ se pohybuje rychlostí 1350 mph. Takže hodiny letící na východ jdou pomaleji než stacionární hodiny, protože jejich relativní rychlost je vyšší. To také bylo pozorováno.

Vzorce pro SR byly aplikovány na rychlosti: 650 mph (směr letu: západ, nejrychlejší hodiny), 1000 mph (stacionární hodiny) a 1350 mph (směr letu: východ, nejpomalejší hodiny). Toto jsou velmi zjednodušená čísla, nikoli skutečná data, jak bylo ukázáno výše.

Jejich experimenty dokazují, že rychlost a směr letadla má předvídatelný účinek na „skutečné změny“ času zaznamenané atomovými hodinami uvnitř letadel. V letadlech letících na východ se „skutečný čas“ zpomalil a v letadlech letících na západ se „skutečný čas“ zrychlil v porovnání se „stacionárními“ atomovými hodinami. Nezapomeňte však, že „stacionární“ hodiny jsou vzhledem k nehybnému středu země také v pohybu. Pro tuto chvíli budu ignorovat faktory, které zahrnují obecnou relativitu, zejména výšku.

Hafele a Keating aplikovali vzorce ze speciální relativity na dva typy souřadnicových systémů. Prvním z nich byl nerotující systém „v klidu“, který se skládal z bodu na prodloužené ose země („nerotující bod vysoko nad Severním pólem“). Podle Einsteina osa rotujícího disku by měla být jedinou vztažnou soustavou „v klidu“.^[12] To však v jeho původní práci z roku 1905 není, ale bylo to doplněno později. Hafele a Keating proto použili bod na rotační ose země jako svou vztažnou soustavu „v klidu“.

Druhým typem souřadnicového systému byly atomové hodiny, které byly součástí experimentů. Všechny atomové hodiny, dokonce i stacionární hodiny, byly považovány za souřadnicový systém, který byl v pohybu vzhledem vztažné soustavě v klidu, nebo k referenčnímu bodu, abychom byli přesnější. V původní SR existoval pouze jediný typ souřadnicového systému, objekty v experimentu, a za vztažnou soustavu v klidu mohl být zvolen pouze jeden z těchto objektů.

Úvod do teorie éteru a H-K

Uvažujeme-li Michelsonův model vlečení éteru, protože veškerý éter uvnitř bubliny je v klidu a nerotuje se zemí, osa rotující země je v klidu, protože se vzhledem k vlečenému éteru nepohybuje. Jinými slovy, osa země spolu se zemí nerotuje (je středem rotujícího disku), takže vzhledem k vlečenému éteru není v pohybu. Takže rychlost všech objektů vzhledem k stacionárnímu éteru, který je unášen zemí, má stejnou velikost vzhledem k ose rotace země. Vztažná soustava v klidu ze speciální relativity je tedy totožná se vztažnou soustavou „v klidu“ vlečeného éteru (tj. se samotným vlečeným éterem). Hafele a Keating ani nemohli použít jinou vztažnou soustavu, pokud měly jejich předpovědi vyjít.

Jestliže éter způsobuje odpor vůči pohybu elektronů v SLAC, způsobil také odpor vůči pohybu atomů uvnitř atomových hodin. Jak mohl éter působit na frekvenci atomových hodin, není přesně známo, ale je velmi pravděpodobné, že to má něco společného s odporem vůči pohybu elektronů v atomech cesia (které budou více podléhat vlivu éteru než těžká jádra). Rychlost atomových hodin vzhledem k stacionárnímu éteru bude mít přímý vliv na velikost odporu, který působí na atomy cesia. Když letadlo letí „relativně“ rychleji než vlečený éter (tj. rychleji než okolní éter) na atomy bude působit dodatečný odpor a změna frekvence způsobí zpomalení „skutečného času“. Když letadlo letí „relativně“ pomaleji ve vlečeném éteru, hodiny půjdou rychleji, protože se sníží odpor.

H-K experiment je velmi podobný experimentu SLAC v tom smyslu, že éter způsobuje odpor elektronům, ale jsou zde dva rozdíly. Prvním rozdílem je, že v H-K je každý elektron součástí atomu. Druhý rozdíl je složitější a vyžaduje určité vysvětlení.

V SLAC může být rychlost elektronů řízena lidmi jednoduše zvýšením nebo snížením velikosti energie elektromagnetů. Když je elektron spojen s atomem, není toto možné udělat.

Je-li elektron přitahován k atomu, vědci obecně předpokládají, že se elektrony v atomech pohybují stále stejnou rychlostí. Předpokládejme, že na elektron působí nějaký odpor. Aby elektron mohl udržovat stálou rychlost v atomu, musí zde být něco, co detekuje změnu odporu a musí zde být nějaký mechanismus, který fyzicky změní energii elektronu, aby elektron mohl udržovat konstantní rychlost. Energie musí být zvýšena, když se zvětší odpor nebo musí být snížena, když se odpor zmenší.

Uvažujme například osobu, která se otáčí na kouli. Uvažujme jinou osobu, která tlačí rukou proti kouli, čímž na povrchu koule způsobuje odpor. Aby koule nadále rotovala konstantní rychlostí, musí být tento odpor nejprve detekován a potom musí na kouli působit jiná síla, která odpor eliminuje. Ke stejné věci musí dojít v atomu, má-li elektron rotovat konstantní rychlostí. Jenomže v atomu není nic, co by bylo schopno detekovat změnu odporu a stejně tak nevíme o ničem, co by bylo schopno dodat elektronu energii, aby mohl rotovat konstantní rychlostí.

Jediným logickým závěrem je, že když se odpor vůči pohybu elektronů zvětší nebo zmenší, elektrony se fyzicky zpomalí nebo zrychlí, a „čas“

měřený atomovými hodinami se zpomalí nebo zrychlí.

Dokonce i v případě, kdy by letadlo letělo takovým způsobem, že by éterový vítr byl nulový (tj. letadlo by letělo na západ rychlostí, která by se přesně rovnala rotační rychlosti země), éter by přesto obklopoval každý atom a působil elektronům odpor. Jinými slovy, éter vždy působí odpor pohybu elektronů, a to i tehdy, když je „v klidu“ vůči okolnímu éteru.

Když však letadlo letí pomaleji než jiné letadlo, vzhledem k okolnímu éteru, pomalejší letadlo (tj. atomy v pomalejším letadle) bude vystaveno menšímu odporu éteru než rychlejší letadlo. To znamená, že jeho elektrony se budou pohybovat rychleji a atomové hodiny půjdou „napřed“. Uvědomte si, že elektrony v lidském těle budou také zaznamenávat odpor éteru, takže „skutečný čas“, měřený lidskou bytostí, se bude také zrychlovat nebo zpomalovat, ačkoli taková změna nemůže být zaznamenána při rychlostech proudových letadel.

Stručně řečeno, máme-li tři letadla a pohybují-li se různými rychlostmi vzhledem k okolnímu éteru, měří čas různě. Letadlo, které letí vzhledem k okolnímu éteru nejpomaleji, bude měřit čas nejrychleji a nejrychlejší letadlo (vzhledem k éteru) bude měřit čas nejpomaleji.

(Poznámka: V této knize hovořím o fyzickém „zrychlování“ a „zpomalování“ elektronů. To je založeno na současném modelu atomu. Kdyby se model atomu změnil, jako třeba „vlečení éteru“ na atomické úrovni nebo byl objeven nějaký nový druh substance, která obklopuje každý atom a ukládá v atomech energii, představa o „zrychlování“ a „zpomalování“ by velmi snadno vzala za své.)

(Poznámka: Také bych se měl zmínit, že bylo ukázáno, že všechny atomové hodiny na povrchu země mají stejný „skutečný čas“, dokonce i hodiny v různých zeměpisných šířkách. Zjednodušeně řečeno, gravitační rozdíly na povrchu země vyrovnávají kinematické rozdíly na povrchu země, způsobené zeměpisnou šířkou.^[18])

Jak jsem zmínil v první kapitole, koncept „relativní vztažné soustavy“, který říká, že každá vztažná soustava může být považována za soustavu „v klidu“ je chybná (tj. chybné je tvrzení, že každá vztažná soustava může být považována za soustavu v klidu vzhledem k jiné vztažné soustavě). Každá vztažná soustava musí být vztažena ke svému okolnímu éteru, který je místní UVS nebo místní AVS. Éter ovšem není rovnoměrně stacionární po celém vesmíru, takže pojem „okolní éter“ musí být správně chápán.

Ve „staré SR“ každé dvě pohybující se vztažné soustavy mohou být přímo vzájemně porovnávány. V teorii éteru mohou být dvě vztažné soustavy porovnávány pouze nepřímo, to znamená, že každá vztažná soustava musí být nejdříve porovnána s okolním éterem a potom může být vypočítáno, jak dvě vztažné soustavy souvisí spolu. Je to proces o dvou krocích. Nejdříve se určí, jaký má každá vztažná soustava vztah k okolnímu éteru, potom se, v kroku dva, tyto vztažné soustavy porovnají nepřímo navzájem. Takže teorie éteru nemá žádné problémy s „paradoxem hodin“ nebo s „paradoxem dvojčat“.

(Poznámka: Co kdyby byl éter obklopující atom odstraněn (fyzicky nebo efektivně) a atom by ležel v prázdném prostoru? Rotovaly by elektrony tak rychle, že by doslova odlétly od atomu, nebo by elektrony spadly do jádra? Tato, a mnoho dalších otázek je velmi zajímavé promyslet vzhledem k éteru.)

(Poznámka: Je také možné, že je to éter, který způsobuje rotaci elektronů, ať přímo či nepřímo, působením energie na atom. Často jsem se podivoval nad tím, odkud elektrony berou energii. Jinými slovy, co způsobuje, že elektrony mohou neustále rotovat kolem jader po miliardy let? Odkud tato energie pochází, ve smyslu, jak je možné, že elektron rotuje zhruba stejnou rychlostí miliardy let? Odpovědí je: Určitě to není setrvačnost. Není pravděpodobné, že jádro obsahuje dostatek energie pro své elektrony po tak dlouhou dobu. Něco z vnějšku atomu pravděpodobně dodává energii buď jádru nebo elektronům během života atomu. Je velmi logické se domnívat, že vnějším zdrojem energie je éter. Z toho by mohlo vyplývat, a uvažujte o tom pečlivě, že éter může být zdrojem energie! Eventuelně, je možné, že nějaký zdroj energie, někde jinde ve vesmíru, vysílá energii, která je přenášena éterem. Mnoho lidí tvrdilo, že ve vakuu, o objemu pouhého šálku na kávu, je obrovské množství energie. Je jasné, že Tesla na tuto energii narazil, ačkoli není jasné, do jaké míry ji dokázal yvužívat.)

Jaký směr má éterový vítr?

V tomto prvním příkladu si představte, že sedíte na plošinovém vagónu jedoucího vlaku. Předpokládejme, že nefouká vítr a že sedíte zcela klidně. Dále předpokládejme, že vlak jede rychlostí 60 km/h směrem na východ. Na své tváři cítíte vítr vanoucí rychlostí 60 km/h. Nyní předpokládejme, že vlak stojí (i s vámi) a že máte tvář obrácenou k východu. Kterým směrem by měl vítr foukat, abyste ve tváři měli stejný vítr jako za pohybu vlaku? Odpověď je samozřejmě – na západ. Kdybyste stáli s tváří obrácenou k východu a foukal proti vám vítr rychlostí 60 km/h směrem na západ, bylo by to stejné jako kdyby vítr nefoukal a vy byste se s vlakem pohybovali rychlostí 60 km/h na východ.

V tomto druhém příkladu si vzpomeňme, že uvnitř vlečeného éteru rotuje země. Porovnejme tento druhý příklad s prvním. Nehybný vítr z prvního příkladu je ekvivalentní k nehybnému éteru v druhém příkladu. Předpokládejme, že v obou příkladech máme tvář obrácenou na východ. Nyní porovnejme pohybující se vlak z prvního příkladu s rotující zemí (jejím povrchem) v druhém příkladu. Jinými slovy, stejně jako pohybující se vlak vás tlačí skrze nehybný vzduch, rotující země vás tlačí skrze nehybný éter, protože země rotuje uvnitř nehybného éteru. Kdybyste mohli cítit éterový vítr (což nemůžete) a byli byste na rovníku, ve tváři byste cítili vítr vanoucí rychlostí 1600 km/h. Jakým směrem se tedy éterový vítr efektivně pohybuje? Stejně jako v prvním příkladu – na západ.

Přestože je éter nehybný, nebo téměř nehybný, rotace země uvnitř bubliny z éteru má stejný účinek jako kdyby země byla nehybná a éter se pohyboval rychlostí 1600 km/h na rovníku směrem na západ.

Nyní uvažujme proudová letadla v H-K experimentu. Letadla letící na západ letěla stejným směrem jako éterový vítr, působící menší odpor (než nehybné hodiny na zemi) a hodiny uvnitř měřily čas rychleji (než nehybné hodiny). Analogicky, když letadla letěla na západ, letěla proti éterovému větru, který působil větší odpor a zpomaloval chod atomových hodin.

Protože předpokládáme, že země rotuje rychlostí přesně 1000 mph na rovníku, na atomové hodiny na rovníku působí éterový vítr rychlostí 1000 mph. Hodiny letící na západ by letěly po (éterovém) větru, takže jejich relativní rychlost vzhledem k okolnímu éteru by byla 650 mph (1000 mph mínus 350 mph, protože jak vítr, tak letadlo se pohybují stejným směrem). Hodiny letící na východ by letěly proti (éterovému) větru, takže jejich relativní rychlost vzhledem k okolnímu éteru by byla 1350 mph (1000 mph plus 350 mph, protože se pohybují opačnými směry). To jsou stejná zjednodušená čísla, která jsme vypočítali výše.

Takže teorie éteru vytváří stejné prognózy jako SR, pokud jde o určení velikosti zrychlení nebo zpomalení chodu atomových hodin v závislosti na rychlosti a směru jejich letu. To by nemělo být překvapením, protože jak H-K, tak teorie vlečení éteru používá stejnou vztažnou soustavu, která generuje stejný souřadnicový systém.

Uvažujeme-li teorii vlečení éteru, potom H-K experiment dokazuje existenci éterového větru a dokazuje, že země rotuje uvnitř vlečeného éteru, jak tvrdil Michelson!