1.5: Jännitys määrää valon nopeuden

Etusivu ／ Luku 1: Energiakuituteoria

Valo on häiriöpaketti, joka etenee “energia­meressä”. Sen enimmäisnopeus ei ole kaikkialla sama vakio, vaan sen asettaa kussakin kohdassa ja ajassa väliaineen paikallinen jännitys. Mitä suurempi jännitys on, sitä korkeampi on paikallinen etenemisraja; mitä pienempi jännitys, sitä alempi raja. Valon kokonaismatka-aika “kirjoittuu uudelleen” sen mukaan, miten jännitys jakautuu reitin varrella.

Laboratoriossa mittaamme paikallisilla mitoilla ja kelloilla, jotka skaalautuvat ympäristön mukana. Siksi lukema pysyy lähes vakiona – tätä kutsumme mitatuksi valonnopeudeksi.

Nämä väitteet mahtuvat yhteen: valon paikallinen nopeusraja vaihtelee jännityksen myötä, kun taas mitattu arvo pysyy vakiona riittävän paikallisissa kokeissa.

Intuitiivisia vertauskuvia

• Samalla rumpukalvolla, mitä kireämpi kalvo, sitä nopeammin kaiku kulkee.
• Samalla kielellä, mitä kireämmin se on viritetty, sitä ripeämmin aaltokummut etenevät.
• “Jäykemmässä” väliaineessa ääni etenee nopeammin.

Yhteinen intuitio: suurempi kireys ja nopeampi palauttava vaikutus ⇒ nopeampi eteneminen.

I. Miksi suurempi jännitys nopeuttaa etenemistä (kolme luontevaa syytä)

• Puhdas liikkeen luovutus. Suurella jännityksellä väliaine on suoristunut ja pingottunut. Häiriön jälkeen palauttava voima toimii voimakkaammin ja epäröimättä, jolloin siirtymä välittyy seuraavaan alkioon nopeammin ja aaltorintama etenee ripeämmin.
• Vähemmän sivuttaispoikkeamia. Pienellä jännityksellä häiriö pullistuu ja rypistyy, jolloin energiaa vuotaa sivuille. Suuri jännitys tukahduttaa nämä kiertotiet, keskittää energian etenemissuuntaan ja parantaa hyötysuhdetta.
• Suurempi palautuksen ja “jarrujen” suhde. Samalla “materiaalimäärällä” suurempi jännitys vahvistaa palautusta ja vähentää vitkastelua. Yhteisvaikutus on suurempi nopeus.

Lyhyesti: suuri jännitys = vahvempi palautus + pienempi viive + vähemmän sivuttaisvirhettä ⇒ nopeampi eteneminen.

II. Paikallisesti invariantti, alueiden välillä muuttuva (yhtäpitävä suhteellisuusteorian kanssa)

• Paikallinen yksimielisyys. Riittävän pienessä naapurustossa jokainen lukee paikallisilla mitoilla ja kelloilla saman arvon c, koska standardit skaalautuvat ympäristön kanssa samalla tavalla.
• Reitistä riippuva vaihtelu. Kun signaali kulkee erisuuruisen jännityksen alueiden läpi, paikallinen raja voi muuttua vähitellen väliaineen mukana. Ehdomme on vain, ettei signaali missään saavuta eikä ylitä paikallista rajaa; muuttuu raja itse, ei signaali, joka “voittaisi rajan”.
• Miksi voimakkaan gravitaation lähellä viive on silti positiivinen. Massiivisten kappaleiden lähellä jännitys on suurempi ja paikallinen raja korkeampi, mutta valon reitti kaareutuu enemmän ja pitenee. Pidemmän reitin hidastus voittaa korkeamman rajan tuoman nopeutuksen, joten kokonaisaika kasvaa – kuten havaitut gravitaatioviiveet osoittavat.

III. Miksi laboratoriossa saadaan aina sama c

• Mittoja ja kelloja ei ole “järjestelmän ulkopuolella”. Ne ovat paikallista materiaa. Kun ympäristön jännitys muuttuu, myös atomien energiatilat, ominais­taajuudet ja materiaalivasteet reskaloituvat.
• Mittaus mukana skaalautuvilla välineillä. Tällöin sama paikallinen raja luetaan kerta toisensa jälkeen samaksi luvuksi.
• Siis: fysikaalinen paikallisraja voi muuttua, mutta mitattu arvo pysyy vakiona – edellinen on fysikaalinen “katto”, jälkimmäinen paikallinen lukema.

IV. Nopea tasoittuminen varhaisessa maailmankaikkeudessa

Ydinajatus: Varhaisimmissa vaiheissa taustajännitys oli poikkeuksellisen suuri; “energia­meri” oli äärimmäisen pingottunut. Paikallinen etenemisraja oli siksi hyvin korkea. Tieto- ja energiahäiriöt saattoivat ylittää valtavia välimatkoja hyvin lyhyessä ajassa, tasoittaen nopeasti lämpötila- ja potentiaalieroja ja synnyttäen laajamittaisen yhdenmukaisuuden, jonka havaitsemme nykyään.

• Miksi “avaruuden inflaatiota” ei välttämättä tarvita. Vallitseva kuva selittää kaukaisten alueiden yhteyden sillä, että itse avaruus laajeni äärinopeasti. Tässä riittää materiaalinen mekanismi: suuri jännitys ⇒ korkea raja ⇒ häiriöiden nopea keskinäinen kytkeytyminen – ilman erillistä inflaatiovaihetta (ks. luku 8.3).
• Ero myöhempiin “akustisiin ilmiöihin”. Myöhemmällä plasmajaksolla taustajännitys pysyi varsin suurena, mutta vahva kytkentä ja toistuvat sironnat laskivat kollektiivisten ääniaaltojen efektiivistä matkanopeutta paikallisen rajan alapuolelle. Jakso jätti rakenteeseen “suosittuja välejä”, mutta ei muuta johtopäätöstä: hyvin suuri alkujännitys yksin riittää nopeaan tasoittumiseen ilman inflaatiota.

V. Havainnoinnin tarttumapinnat ja vertailut (yleisölle)

• Suosi ensin dimensiottomia suhteita. Kun vertaillaan kaukaisia alueita, käytä suhteita kuten samaa alkuperää olevien spektriviivojen taajuussuhde, valokäyrien muotosuhde tai useiden painovoimalinssikuvien viivesuhteet. Näin ei sotketa “standardien yhteisdriftiä” todellisiin vakioiden muutoksiin.
• Etsi kuviota “yhteinen siirtymä + vakaat suhteet”. Vahvassa linssissä tai ääri­näkölinjoilla, jos viivesuhteet pysyvät vakaina mutta absoluuttiset ajat siirtyvät yhdessä, se viittaa “jännityksen muovaamiin paikallisrajoihin + reitin geometriaan” pikemminkin kuin lähdeviiveisiin tai taajuusriippuvaan dispersiioon.
• Pidemmät reitit ovat herkempiä. Maan lähistöllä, missä jännitys on melko yhtenäinen, toistomittaukset antavat saman arvon. Hyvin pitkät reitit tai äärimmäisten ympäristöjen läpi kulkevat polut paljastavat erot helpommin.

VI. Yhteenvetona

• Paikallisen “katon” määrää jännitys: kireämpi ⇒ nopeampi, löysempi ⇒ hitaampi. Mitattu arvo määräytyy paikallisista välineistä: riittävän pienessä alueessa saadaan aina c.
• Katon asettaa potentiaali, kellon geometrian muoto: raja tulee paikallisesta jännityksestä; kokonaisaika jännityksen jakaumasta ja reitin muodosta.
• Sopusuhtainen suhteellisuusteorian kanssa: riittävän paikallisissa “laikuissa” raja on sama kaikille; erot kertyvät vain alueiden välillä.
• Varhaisessa maailmankaikkeudessa erittäin suuri jännitys mahdollisti lähes hetkellisen häiriöiden kytkeytymisen ja siksi nopean tasoittumisen ilman erillistä inflaatiovaihetta (ks. luku 8.3).