Układy odniesienia, czyli pytanie „kto ma rację”?

Układ odniesienia jest podstawowym pojęciem związanym z teorią względności. Wszystkie rozważania tej teorii wiążą się z podstawowym pytaniem:

Jak ten sam zestaw zdarzeń jest opisywany w różnych układach odniesienia?

Mówiąc inaczej - jak dokonać transformacji współrzędnych przestrzennych i czasowych zdarzeń. Pojęcie układu odniesienia jest wykorzystywane w wielu działach fizyki i dlatego zostało zdefiniowane w osobnym rozdziale.

W fizyce przyjmowana jest zasada (będąca jednym z założeń teorii względności, ale nie tylko jej), że:

Nie ma wyróżnionych układów odniesienia.

Co to oznacza? – wyobraźmy sobie, że jest sobie obszar w kosmosie, w którym latają sobie bezładnie atomy pierwiastków promieniotwórczych. Ta chmura uranu, radu, i innych atomów z jądrami gotowymi do rozpadu nie jest związana z żadną gwiazdą, galaktyką ani układem gwiazdowym – ot dryfuje sobie przez niezmierzone otchłanie wszechświata. Co jakiś czas któreś z jąder atomowych rozpada się - wypromieniowuje cząstkę alfa i zamienia się w inny atom, zaś fakt, a z nim czas i miejsce tego rozpadu jest rejestrowany przez obserwatorów w wałęsających się tu i ówdzie rakietach (na rysunku są dwie takie rakiety – niebieska i zielona, prędkości rakiet i cząstek są zaznaczone czerwonymi strzałkami).

Pilot każdej z rakiet może zarejestrować ten sam rozpad inaczej – po pierwsze w innej odległości od rakiety, atom mógł też poruszać się z różną prędkością względem każdej z rakiet.

Powstaje pytanie:
pilot której rakiety widzi ten świat rozpadów promieniotwórczych bardziej „prawdziwie”?
- ten z rakiety zielonej, czy z niebieskiej?

- myślę, że jeśli ktoś nie ma jakichś bardzo sprecyzowanych preferencji kolorystycznych, to nie znajdzie argumentu przemawiającego na za wyróżnieniem którejś z rakiet, czy któregoś z pilotów. Dlatego uznajmy jako fakt - pilot każdej rakiety obserwuje otoczenie ze swojego układu odniesienia jednakowo „prawdziwie”, choć każdy inaczej.

Przestawienie się na einsteinowski sposób widzenia zjawisk nie jest łatwe. Zdając sobie z tego sprawę pokusiłem się o napisanie opowiadania fantastycznego, które swoją treścią ilustruje omawiane w tym rozdziale zagadnienia względności ruchu.

A to jest właśnie niezależność od układu odniesienia - żadna z rakiet nie jest w swoim opisie rzeczywistości faworyzowana ani dyskryminowana. Oczywiście nie tylko rakiety nie są wyróżniane, bo tak samo dobry będzie opis sytuacji w chmurze radioaktywnej sporządzony przez mieszkańca Ziemi, ufoludka z Marsa, czy przewodniczącego związku planet w układzie Syriusza. Po prostu każdy ma jednakowe „prawo” aby ten świat widzieć po swojemu. Jednocześnie żaden z nich nie ma prawa narzucać swojego układu odniesienia innym – zakładamy, że prawidłowo wykonane w jakimś układzie pomiary są w tym układzie prawdziwe.

Podobną sytuację względności mamy dla dwóch obserwatorów patrzących na samochód wiozących młodą parę. Balonik przyczepiony do samochodu nowożeńców najczęściej w czasie jazdy drga i podskakuje jak szalony. Jednak inaczej widzi tę sytuację przechodzień, a inaczej kierowca samochodu. Dla przechodnia balonik drga i jedzie, a dla kierowcy balonik tylko drga. I prawda obu obserwatorów jest obiektywna (w tym sensie, że nikt nie popełnia błędu) – bo rzeczywiście z zewnątrz patrząc to balonik przesuwa się, a ze środka patrząc – nie. Czyli chociaż opisy obu obserwatorów różnią się, to obaj mają rację – ruch jest względny.

Tutaj warto wspomnieć o psychologicznej cesze większości ludzi – otóż mamy wrodzoną skłonność uznawać, że to co „było od dawna” i co jest „duże” jest bardziej prawdziwe. Gdy myślimy o „prawdziwym” kapuśniaku to zapewne takim jaki robiła mama i babcia, gdy się zastanawiamy kto ma rację, jako argument pada, że tak „wszyscy” uważają (wszyscy, czyli „dużo” ludzi). I mało kto zastanowi się, że kilkaset lat temu „wszyscy” mieli całkowicie inne poglądy na wiele spraw, a za lat sto jacyś inni „wszyscy” też będą myśleli odmiennie.
Podobnie, gdy myślimy o prędkości lecącej muchy, to oczywiście mimowolnie będziemy odnosić ją do podłoża, czyli wielkiej Ziemi, a nie do innej, poruszającej się obok, muchy, czy jadącego rowerzysty. Podświadomie uważamy, że prędkość muchy oceniana względem Ziemi jest „prawdziwa” a względem innej muchy – już nie. „Coś” duże, stabilne w naszym umyśle staje się w sposób naturalny poziomem odniesienia (naturalny oznacza tu jednak także „mimowolny”, „niezauważalny”).

W odróżnieniu od psychologii, fizyka jest bardziej „sprawiedliwa” – zakłada, że faworyzowanie wielkich układów odniesienia nie ma podstaw. Dlatego postawę mimowolnego odnoszenia się do wielkich obiektów uznajmy za rodzaj „atawizmu” (pewnie z innych, życiowych względów - atawizmu użytecznego), zaś obiektywnie na sprawę patrząc, prędkość muchy względem innej muchy, czy nawet bakterii jest tak samo „prawdziwa” jak względem Ziemi. Trzeba sporej pracy umysłowej aby uwolnić się od dominacji dużych i stałych obiektów i zacząć swobodnie obserwować świat z dowolnie wybranego poziomu.

Wstęp < Układy odniesienia > Zasada względności