Professor: Fundamental fysikligning strider mod relativitetsteorien

30. april 2012 kl. 14:0326
Amerikansk professor har påpeget et fundamentalt problem mellem Lorentzkraften og Einsteins specielle relativitetsteori. Teoretikerne forudser ophedet debat.
Artiklen er ældre end 30 dage

En af de kommende udgaver af fysikernes favorit-tidsskrift, Physical Review Letters, vil indeholde en artikel, som allerede har vakt betydelig opmærksomhed.

Masud Mansuripur fra University of Arizona i USA hævder i denne artikel, at Lorentzkraften, der beskriver, hvordan elektriske og magnetiske felter påvirker en elektrisk ladet partikel, er i direkte karambolage med relativitetsteorien - og rejser som følge heraf et spørgsmål om, hvordan magnetisering skal beskrives på det mikroskopiske niveau.

Mansuripurs argumentation er baseret på et forbavsende simpelt eksempel, men da hans artikel ikke er generelt tilgængelig i en preprint-udgave, er det ikke muligt endnu at beskrive hans udregninger i alle detaljer.

Den følgende beskrivelse er derfor i al væsentlighed baseret på en artikel i Science om den kommende artikel i Physical Review Letters.

Artiklen fortsætter efter annoncen

Det er også til Science, at teoretikeren Rodney Loudon fra University of Essex i England, der er bl.a. er forfatter til klassikeren The Quantum Theory of Light, siger: 'Så vidt jeg kan vurdere, så er analysen rigtig', og en anden teoretiker, Stephen Barnett fra University of Strathclyde i Skotland, siger: 'Hvis det er sandt, er det forbløffende'.

Lorentzkraften

Lorentzkraften beskriver de kræfter, en elektrisk ladet partikel er påvirket af i elektriske og magnetiske felter.

En elektrisk ladet partikel påvirkes af det elektriske felt med en størrelse, der er proportional med partiklens ladning og størrelsen af det elektriske felt - med en kraftpåvirkning i retning af det elektriske felt.

Det magnetiske felt påvirker partiklen med en kraft, der er proportional med partiklens ladning, partiklens hastighed og den magnetiske feltstyrke i en retning, der vinkelret på både partiklens hastighedsretning og magnetfeltets retning.

Artiklen fortsætter efter annoncen

Udtrykt matematisk på denne måde:

F= q (E + vxB)

Hvor F, E, v og B er vektorer for henholdsvis kraften, det elektriske felt, hastigheden og det magnetiske felt, q er den elektriske ladning og x betegner et vektorprodukt.

Ladningen og ledningen

Det første eksempel vedrører en elektrisk ladet partikel, der bevæger sig langs en ledning, hvor strømmen går i samme retning som partiklen.

Det betyder, at partiklen vil være udsat for en kraft, der trækker partiklen ind mod ledningen. Kraften skyldes det magnetiske felt, der dannes rundt om ledningen på grund af strømmen i ledningen.

Hvis man derimod betragter situationen set fra partiklens referencesystem, vil partiklen ligge stille, og ledningen vil bevæge sig forbi. Selv om partiklen stadig er udsat for et magnetfelt, vil det ikke påvirke partiklen, da dens hastighed er nul.

I relativitetsteorien er begge referencesystemer lige gode, så hvis der en kraftpåvirkning i det ene system, skal der også være en kraftpåvirkning i det andet system. Heldigvis kommer Einstein relativitetsteori til hjælp, idet iagttagere vil opfatte længder forskelligt i forskellige referencesystemer.

Længderne omfatter også afstanden mellem de positive ioner i ledningen og de negativt ladede elektroner, der giver anledning til strømmen.

Artiklen fortsætter efter annoncen

I laboratoriesystemet, hvor ledningen er stationær, er afstanden mellem ioner og elektroner ens, og ledningen er elektriske set neutral. I partiklens referencesystem bevæger ledningen sig, og der er derfor kortere afstand mellem ionerne. Elektronerne bevæger sig dog endnu hurtigere end ledninger, og deres indbyrdes afstand er derfor endnu kortere.

Fra partiklens synspunkt er ledningen derfor elektrisk ladet, og det giver anledning til en kraftpåvirkning af samme størrelse, som i laboratoriesystemet.

Ladningen og magneten

Nu betragter Mansuripur en elektrisk ladet partikel og en magnet, der begge ligger stille i laboratoriets referencesystem.

Det er en uhyre simpel situation. Den elektrisk neutrale magnet mærker ikke partiklen, og den stillestående partikel kan ikke mærke magnetfeltet. Der er ingen kræfter, der påvirker partiklerne.

Situationen er helt anderledes for en iagttager, som bevæger sig med jævn fart i forhold til laboratoriesystemet.

I den klassiske elektrodynamik opstår magnetisme på grund af hypotetiske cirkler af 'bundne' strømme. Magneten indeholder altså cirkulerende strømme, der bevæger sig forbi iagttageren.

På samme måde som i det første eksempel, hvor en elektrisk ledning bevægede sig i forhold til en iagttager, har det betydning for fordelingen af den elektriske ladning på magneten.

På den side, hvor den cirkulerende strøm har samme retning som iagttagerens bevægelse, vil der opstå en positiv ladning. På den anden side, hvor strømmen går i modsat retning, vil der opstå en negativ ladning. Magneten er elektrisk polariseret set fra iagttageren.

Den elektrisk ladede partikel vil vekselvirke med disse ladninger, så der opstår et træk på den ende side af magneten og et skub på den anden side. Magneten vil som følge heraf udsættes for en kraft, der vil søge at dreje magneten.

Ladningen, der bevæger sig, vil også give anledning til et magnetfelt, men ifølge omtalen i Science, så har Mansuripur beregnet, at dette ikke vil ophæve kraften, der vil dreje magneten. Tilbage er altså en kraft, som er i strid med relativitetsprincippet om, at kraftpåvirkningerne skal være ens i de to systemer.

Er der en udvej?

Kun hvis Mansuripur benytter en mere kompliceret formel for kræfter i polariserede og magnetiske materiale, der blev beskrevet af Albert Einstein og den polske fysiker Jakub Laub i 1908, forsvinder kraften i referencesystemet for iagttageren, der er i bevægelse.

Einstein afviste dog selv efterfølgende denne teori. Men måske havde Einstein også ret i dette tilfælde, ligesom han havde det med den kosmologiske konstant, som han indførte i ligningerne for den generelle relativitetsteori, men forkastede som sin største fejltagelse, da det blev opdaget, at Universet udvidede sig - og som nutidens forskere har genindført i ligningerne, fordi udvidelsen er accelererende.

Teoretikerne kunne måske nok leve med denne ændring, men Mansuripur argumenter i sin artikel for, at man helt må droppe forklaringerne med bundne ladninger og strømme, og betragte polarisation og magnetisering som fundamentale egenskaber i sig selv.

Det huer ikke Daniel James fra University of Toronto i Canada.

»Det mikroskopiske billede af elektrodynamikken er klart, og hvis det makroskopiske billede ikke følger heraf, så vil jeg være overrasket. På en eller anden måde må Einstein-Laub ligningen for makroskopiske materialer være en konsekvens af Lorentzkraften på det mikroskopisk niveau.«

Han forudser en ophedet debat om emnet.

Dokumentation

Einstein og Laub: Über die im elektromagnetischen Felde auf ruhende Körper ausgeübten ponderomotorischen Kräfte (Ann.der Physik 1908)
Mansuripur: Trouble with the Lorentz law of force: Incompatibility with special relativity and momentum conservation (PRL 2012, abstract)

26 kommentarer.  Hop til debatten
Debatten
Log ind eller opret en bruger for at deltage i debatten.
settingsDebatindstillinger
1
12. april 2017 kl. 16:41

Louisiana State University. (2017, April 11). Physicists discover hidden aspects of electrodynamics: Discovery may impact the study of the birth of the universe. ScienceDaily: Citat: "... "Gravity spoils the symmetry regardless of whether magnetic monopoles exist or not. This is shocking. The bottom line is that the symmetry cannot exist in our universe at the fundamental level because gravity is everywhere," Agullo said. Gravity, together with quantum effects, disrupts the electric-magnetic duality or symmetry of the electromagnetic field. ... This new discovery challenges assumptions that could impact other research including the study of the birth of the universe. ..."

Electromagnetic Duality Anomaly in Curved Spacetimes. Ivan Agullo, Adrian del Rio, and Jose Navarro-Salas. Phys. Rev. Lett. 118, 111301 – Published 15 March 2017.

2
29. juni 2013 kl. 00:46

Så vidt jeg kan se, er ladning q1 og magnet m1 i Mansuripur´s laboratorium M jo hvilende, og hvad ser nu en bevæget iagttager N: For det første er han i hvile, og han ser at der til ladningen q1 er tilknyttet et magnetfelt, og at der til magneten m1 er tilknyttet et elektrisk felt (disse to felter vil i system N henholdsvis kunne påvirke en magnet m2 samt en ladning q2). Sagens kerne er: Den "bevægede iagttager" eksisterer ikke, idet denne er i hvile: Et inertielt iagttagelsessystem/observationssystem er altid i hvile, og er aldrig i bevægelse. I system M (og i system N) er derfor q1 upåvirket af m1.

2
14. maj 2012 kl. 21:49

"Lysets hastighed afhænger ikke af observators hastighed".

  • Nej, c afhænger af observators hvile. I Rs skriver Einstein at W (i dag bruges c) er konstant i forhold til enhver "stationær iagttager".
2
14. maj 2012 kl. 00:14

Den specielle relativitetsteori bygger på kun to antagelser:</p>
<ol><li>Lysets hastighed afhænger ikke af observators hastighed.</li>
</ol><p>Tag et kig på Ring Laser Gyro og Fibre Optic Gyro, og du vil indse at denne antagelse er modbevist.

Den specielle rel. teori handler om inertialsystemer.

2
14. maj 2012 kl. 00:04

Forestil dig en uendelig lang ladet snor liggende i rummet helt ret. Befinder du dig ved siden af den stille i forhold til snoren mærker du kun de elektrostatiske kræfter. Bevæger du dig parallelt med snoren vil du ud over de statiske kræfter også måle et magnetfelt, på præcis samme måde som hvis snoren bevægede sig forbi dig. Magnetfelter er altså også relative til indbyrdes hastigheder. Netop den konstante lyshastighed relativt til observatøren er udfordrende, men egentlig meget rimelig. I et tomt og uendeligt rum er der ingen referencer til noget som helst, så lyshastigheden er selvfølgelig givet af rummets elektromagnetiske egenskaber, som enhver vil måle til det samme. Det er ret syret og uden for noget man kan "forstå". Tyngdekraften er i samme boldgade, den er der , den virker, vi kender faktorerne, men egentlig er det i grunden helt sort. Og det hjælper ikke meget at prøve med nogle partikler, som ellers er oppe i tiden, for hvor kommer de fra?

2
13. maj 2012 kl. 21:56

hvis lys kun er i et 2D rum kunne det måske forklare lysets hastighed som en konstant?

2
13. maj 2012 kl. 20:41

Lorentz troede ikke på relativitetsteorien - hvordan i al verden kunne c være konstant (i forhold til iagttager), og så i Rs angives c frækt uden at angive et medie (henvisningen for c gjalt kun det rummelige vacuum). Men denne tomhed: vacuum, er det et medie? Lorentz: nej. Lige som fysikken synes at være afklaret (bortset fra nogle detaljer), vokser disse detaljer nu fysikeren over hovedet: man mangler en ny fast grund hvorpå ny fysik må opbygges.

2
13. maj 2012 kl. 18:17

Stig Johansen, læs en bog om fysik eller kig inde på nettet inden du begynder at udbrede dig om noget, som du absolut ingenting ved om.

Du kunne også overveje at følge et fysikkursus på aftenskole eller lignende. Det er urkomisk at en person der ikke behersker det mest grundlæggende skolefysik vil sidde og udbrede sig vidt og bredt om alternative fysiske ideer.

Den elektromagnetiske model for lys har ca. 150 år på bagen, og den har fungeret fremragende og gør det stadigt.

2
13. maj 2012 kl. 17:16

Det er aldrig, ALDRIG, blevet modbevidst at lys ikke kan have anden hastighed end c i vakuum. Det kan dog godt have forskellige hastigheder i forskellige medier, fx luft eller glas. De to gyroskoper bygger på at rotation ændrer lysets vejlængde, hvorfor der opstår bestemte interferenseffekter. At lys en elektromagnetisk bølge kan der heller ikke herske tvivl om, som Kim og Otto siger. EM-stråling er alt fra radiobølger over synligt lys til gammastråling, blot med forskellig frekvens. Maxwells ligninger, som berører elektromagnetiske felter, er en helt præcis beskrivelse af lys' bølgeudbredelse. I bund og grund er stof styret af elektriske og magnetiske felter, så hvis lys var immun over for disse, ville hastigheden gennem forskellige medier ikke ændre sig.

2
9. maj 2012 kl. 11:01

Det var i 1845 (Faraday) at man fik eksperimentelt bekræftet at EM blev fysisk påvirket af et (kraftigt) magnetfelt.

2
9. maj 2012 kl. 09:14

Lys er per definition elektromagnetisme. Forklar venligst.

2
9. maj 2012 kl. 08:30

Hvis man anser lys (elektromagnetisme) som det fundamentale i det fysiske univers

Lys er hverken elektrisk eller magnetisk, da det er immun overfor EM-felter.

Det er jo årsagen til man bruger lysledere i miljøer med kraftig EM (stråling).

2
9. maj 2012 kl. 08:28

Den specielle relativitetsteori bygger på kun to antagelser:</p>
<ol><li>Lysets hastighed afhænger ikke af observators hastighed.

Tag et kig på Ring Laser Gyro og Fibre Optic Gyro, og du vil indse at denne antagelse er modbevist.

https://en.wikipedia.org/wiki/Ring_laser_gyroscopehttps://en.wikipedia.org/wiki/Fibre_optic_gyroscope

Disse applikationer ville [b]aldrig[/b] kunne virke hvis lysets hastighed er konstant i forhold til observatøren.

2
7. maj 2012 kl. 09:18

Meget meget spændende. Hvis man anser lys (elektromagnetisme) som det fundamentale i det fysiske univers, så kan Mansuripurs argumentation sagtens holde vand.

Polarisation og magnetisering er fundamentale egenskaber i min alternative teori om universets tilblivelse. Elektromagnetisme er det fundamentale.

Læs om teorien på

https://crestroyertheory.com/the-theory/

men lad være med at spilde din tid hvis ikke du er til divine design.

2
4. maj 2012 kl. 20:36

Som tidl. tiders fysik er Rs i sit væsen kontinuerlig k, og kvantefysik er i sit væsen diskontinuerlig d - når en sammenfatning forsøges sker der visse "sammenstød", idet k og d er modsætninger - og modsætninger besidder nu engang modsætningens egenskaber: k er forskellig fra d.

2
4. maj 2012 kl. 20:17

Hvem siger det er relativitetsteorien der betvivles? Der er fremkommet en påstand om at to yderst accepterede teorier gensidigt modsiger hinanden. Det finder jeg interessant. Men jeg ser intet belæg for at heppe på en af teorierne...

2
3. maj 2012 kl. 22:35

Til Bo om 1. En observatør o kan ikke bevæge sig (set fra system o). Da endvidere rummet i Rs er ens i alle retninger, er lyshastigheden c ens (i alle retninger). Idet alle observatører i Rs er ligeberettigede, ser de alle hvad o ser. om 2. Naturen kender ikke til absolut eller relativ bevægelse: den kender kun og alene til "hvile" og "bevægelse", og disse to er modsætninger tilknyttet/ikke-tilknyttet Lorentzfaktoren L, sqr 1-v2/c2: a) hvis L er tilknyttet et legeme er det i bevægelse b) hvis L ikke er tilknyttet et legeme er det i hvile

Så c ER afhængig af observatørs tilstand, der altid (set fra o) er hvilende. Et absolut speedometer er af naturen ukendt, her kendes kun et "speedometer" - hastigheden der måles er hverken absolut eller relativ, men er blot en "hastighed".

2
3. maj 2012 kl. 16:53

Den specielle relativitetsteori bygger på kun to antagelser:

  1. Lysets hastighed afhænger ikke af observators hastighed.
  2. Der findes ikke noget absolut speedometer.

Den som betvivler relativitetsteorien må enten påvise at lysets hastighed alligevel afhænger af observators hastighed, eller også designe et absolut speedometer.

2
1. maj 2012 kl. 11:11

Magnetisme er endnu "in state of art", vi kender det ikke, men i mange tilfalde det kan modelers. Geometri er baseret på hjernen visuelle model eller interface, så kan vi være sikker at revolutionen konverger til (hvad kan man sige) realitet?(ja lidt filosofisk lige som relativitet teori :) )

2
Videnskabsredaktør -
1. maj 2012 kl. 09:10
Videnskabsredaktør

det bliver måske en Magnetino som giver protonen et magnetisk moment

Godt forslag Bernhardt - og til med i den mere seriøse kategori. :o)

Du kan jo evt. begynde med at læse denne artikel:

Direct Measurement of the Proton Magnetic Momenthttps://arxiv.org/pdf/1201.3038v2.pdf

Hvis abstract begynder således: "The proton magnetic moment in nuclear magnetons is measured to be myp=myN = g/2 = 2.792 846 +/- 0.000 007, a 2.5 ppm (parts per million) uncertainty."

2
1. maj 2012 kl. 02:01

Normalt, nu om dage, løses den slags problemer ved at opfinde en ny partikel, som så kan forklare det hele. Venter spændt på partiklens navn og dens hastighed. :-(

hahaha... det bliver måske en Magnetino som giver protonen et magnetisk moment og den kan kun findes hvis vi udbygger CERN-acceleratoren yderligere med en linear accelerator af samme styrke og den skal være meget lang og går mindst fra CERN til København... :o)

2
1. maj 2012 kl. 00:09

Normalt, nu om dage, løses den slags problemer ved at opfinde en ny partikel, som så kan forklare det hele. Venter spændt på partiklens navn og dens hastighed. :-(

2
30. april 2012 kl. 22:04

Den havde jeg ikke set komme. Meget, meget interessant. Gad vide om vi ikke har overset en helt grundlæggende egenskab som kan vise sig at få meget stor betydning for det fysiske verdensbillede?

2
30. april 2012 kl. 15:44

Jeg ved ikke om det kan sammenlignes, men da planetbanernes afvigelse fra Newtonsk fysik blev registreret kunne relativitetsteorien forklare afvigelsen, og medvirkede til at det hidtidige Newton-paradigme blev suppleret med Einstein-paradigmet. Mange avancerede opfindelser blev mulige af den øgede forståelse.

Måske kan Mansuripur-paradokset medføre et tilsvarende skift til nyere paradigme, og give en forståelse som kan medføre opfindelser vi ikke kan forestille os idag.

2
30. april 2012 kl. 14:47

Netop den med ladninger der bevæger sig forbi eller omvendt er god. Jeg har selv leget med en cirkulær ladet ledning der blev bevæget rundt om dig. Den vil klart nok give et magnetfelt hvor du er, men hvis nu ledningen lå stille og du i stedet roterede rundt inde i centrum? Jeg afskrev forsøget, fordi rotation er absolut, men det ligner lidt. Det bliver spændende at følge udviklingen. Det har altid været lidt skummelt med aktion og reaktion for en ladning der bevæger sig i et magnetfelt, så det er godt det bliver taget op.