Ako rýchlo ide svetlo z reflektorov idúcich áut?

Keď som sa ako dieťa zoznamoval s teóriou relativity, ako prvá vec mi vŕtala v hlave neprekonateľná rýchlosť svetla. Po jej preštudovaní som bol spokojný nie preto, že som to pochopil, ale pochopil som, prečo sa to pochopiť nedá. Na modernej fyzike sa mi najviac páčila tá iracionálnosť. Že exaktné myšlienkové postupy napokon vedú k bláznivým výsledkom, ktoré treba prijať. A potom ten postup ešte raz do hĺbky prejsť, pomaly a pozorne, hľadajúc v tom trik, keď všetko vyzerá byť v poriadku... a na konci bum! Neuveriteľný záver. Napríklad ma napadlo, že rýchlosť svetla predsa nemôže byť neprekonateľná, veď stačí si si zobrať svetlo z pohybujúcich sa reflektorov. Sedliacky rozum napovedá, že rýchlosť svetla by mala byť zväčšená o rýchlosť auta. Alebo iný príklad, ak by „vlak“ (lietadlo, raketa, čo chcete) išiel polovicou rýchlosti svetla a v tom vlaku vystrelíme náboj tiež polovicou rýchlosti svetla v smere jazdy. My stojíme na zemi a pýtame sa: Akou rýchlosťou pôjde náboj? Práve rýchlosťou svetla! Ak by vlak išiel o trochu rýchlejšie, rýchlosť svetla by bola prekonaná. Nevidel som v týchto úvahách chybu. A ona tam je!

Chyba je v našej vrodenej intuícii. Jednak sa narodíme s nejakým inštinktom, a taktiež sme si vytvárali obraz o tomto svete hraním sa s hrkálkou. Náš mozog spracúva rôzne informácie na výsledky, ktoré dobre poslúžili k utekaniu pred tigrom a loveniu mamutov. Keď sme však začali hlbšie pozorovať tento svet, narazili sme na bariéru našej predstavivosti, pretože naše myslenie nie je pripravené na javy, s akými sme sa počas evolúcie nikdy nestretli. Fakt je, že svetlo z áut pôjde práve rýchlosťou svetla a letiaci náboj pôjde menšou rýchlosťou ako svetlo. Chyba je v tom, že sme rýchlosti sčítavali, lebo sa nám to zdá logické, ale ono je to logické iba v rámci nášho myslenia, ktoré neodráža skutočný svet.

Za prirodzené hranice poznania

Ospevovaná Špeciálna teória relativity v podstate vychádza z jedinej veci, a to je nemenná rýchlosť svetla. O.K., ešte vychádza aj z takých triviálnych vecí, ako že priestor je rovnaký z každého pohľadu, a tak. Ale čudná je len tá rýchlosť svetla. Pred Einsteinovým záverom si experimentátori lámali hlavu, že rýchlosť svetla vychádzala rovnaká, nech ju akokoľvek namerali. Napríklad bolo jasné, že rýchlosť svetla by mala byť iná v smere rotácie Zeme a proti smeru rotácie, lebo v jednom prípade ide reflektor dopredu a v druhom dozadu, ale rýchlosti akoby naschvál vyšli rovnaké, aby merania opakovali a vymýšľali možné príčiny, ktoré hneď ďalším meraním vyvrátili. Einsteinov neobvyklý nápad spočíval v tom, že si povedal: Dobre, nechajme teda rýchlosť svetla takú, aká je. Čo z toho vyplýva? Hovoril som si, že asi by aj mňa napadlo skúsiť pritlačiť na pílu a napasovať nové vlastnosti priestoru a času tak, aby rýchlosť svetla proste vychádzala vždy rovnaká. Čo na tom, že je to blbosť, len zo srandy, čo to spraví. Práve to urobil Einstein. Lenže vtedy bolo zrejme veľmi odvážne prehlásiť, že naše súčasné vnímanie priestoru a času je chybné a naša intuícia zlyháva. Tak ďalekosiahle dôsledky, ako rôzne plynutie času, skracovanie vdialeností, o mnoho rokov staršie jednovaječné dvojča, sú na zvieraciu kazajku. A práve to sa mi na vede páči. Že už dávno nie sme obmedzení naším chápaním, ale máme nástroje, ktorými dokážeme skrotiť aj to, čo sa nám zdá iracionálne a nikdy tomu nebudeme priamo rozumieť, no to nám vôbec neprekáža - vďaka jazyku matematiky, ktorým rozpráva príroda. Preto neverím v akúsi ľudskú obmedzenosť, ktorá by nedovolila ísť za všetky hranice poznania.

Predtým, ako sa dostaneme k nadsvetelnej rýchlosti, si vysvetlíme Einsteinove argumenty, prečo by mala byť rýchlosť svetla hraničnou. To by už bola druhá čudná vlastnosť svetla. Prvý šok bol, že sa pri žiadnom pohybe nemení, čiže svetlo od auta ide rýchlosťou svetla nezávisle na tom, či auto ide alebo stojí. Jeden z Einsteinových výsledkov je, ako sa mení hmotnosť pri pohybe. Áno, hmotnosť sa mení pri pohybe! Napríklad idúce auto váži viac než stojace, ale pri bežných rýchlostiach je tento efekt zanedbateľný a nezohľadňujú ho ani rumunskí úradníci vážiaci autobusy pred diaľnicou. V CERNe však letia častice tak rýchlo, že niekoľko tisícnásobný nárast hmotnosti sa nedá nevšimnúť. Čím rýchlejšie, tým ťažšie... až pri rýchlosti svetla by mali nekonečnú hmotnosť! Na to by musel CERN zhltnúť nekonečne veľa energie, teda viac, ako má celý vesmír, a to je nezmysel. Preto sa častice môžu ľubovoľne priblížiť k rýchlosti svetla, ale nikdy túto magickú hranicu nedosiahnu.

Lenže svetlo sa pohybuje rýchlosťou svetla!

Ostáva jeden detail, že svetlo sa pohybuje rýchlosťou svetla, takže na prvý pohľad niečo nehrá. Častice, z ktorých sa svetlo skladá (fotóny), by mali mať nekonečnú hmotnosť, ale nie je to tak, a preto jediné východisko je, že fotóny majú v pokoji nulovú hmotnosť (aj keď pokoj nikdy nemajú). Totiž keď nulu zväčšíme nekonečnokrát, nemusíme dostať to zlé nekonečno, a problém je vyriešený (úloha „Koľko je nula krát nekonečno?“ patrí medzi časté hádky detí v predlimitnom veku, vtedy som si uvedomil, že úsečka sa skladá z nekonečne veľa bodov). Môžeme teda presnejšie povedať, že nič sa nemôže pohybovať rýchlejšie ako svetlo, ak nemá v pokoji nulovú hmotnosť. Svetlo môže, lebo svetlo v pokoji nič neváži. Súčasný mediálny rozruch spôsobili záhadné častice neutrína, ktoré mimochodom cez nás každú sekundu prechádzajú nepovšimnute po miliardách. Podľa nie dávnych meraní majú v pokoji nenulovú hmotnosť, a preto sa nesmú pohybovať rýchlosťou svetla. Lenže oni sa pohybujú ešte rýchlejšie!

Hop a skok do iného sveta

Pozor, zatiaľ je povedané, že hmotné častice nemôžu dosiahnuť rýchlosť svetla, a nie, že nemôžu ísť rýchlejšie. Nie je to to isté. Fiktívne častice letiace rýchlejšie ako svetlo dostali sexy pomenovanie tachyóny (tak sexy, že v rôznych obmenách ho novodobí šamani používajú na marketing pseudovedy). Tachyón teda môže byť čokoľvek, čo sa pohybuje rýchlejšie ako svetlo, a aj novoobjavené nadsvetelné neutrína sú tachyóny. Tachyóny žijú akoby vo svojom vlastnom svete, pretože už vieme, že z nášho „podsvetelného“ sveta ich nemôžeme urýchliť na rýchlosť svetla. Teda nedosiahnuteľnosť rýchlosti svetla neznamená, že tachyóny neexistujú, pretože oni by si mohli poletovať nad povolenú rýchlosť „odjakživa“. Argument proti prekročeniu rýchlosti svetla je znovu taký sedliacky. Keď chceme zrýchliť z päťdesiatky na stovku, niekedy musíme mať rýchlosť rovných sedemdesiat. Nemôžeme len tak preskočiť z jednej rýchlosti na inú, ale musíme zrýchliť spojite. Skutočný svet sa zvykne správať inak a nedá sa vylúčiť možnosť, že častica sa priblíži k rýchlosti svetla a náhle urobí skok, šup, a je za ňou. Svet spieva pieseň Kvantová mechanika.

Einstein zostáva pokojný, ale nadsvetelná rýchlosť stále straší

Zatiaľ sme problémy obišli, pretože teória relativity nehovorí nič o nadsvetelných rýchlostiach a v tomto prípade ostáva neohrozená. Napokon, ponúkajú sa aj iné možnosti vysvetlenia experimentu (napríklad iné zakrivenie priestoru okolo Zeme, o ktorom ešte netušíme). Ale chuťovka na koniec. Povieme si o niečom strašidelnom, čo sa volá narušenie kauzality. Pojem, pri ktorom by aj starogréckym filozofom tuhla krv v žilách, popri eurovale. Narušenie kauzality znamená, že v nejakej situácii sa môže vymeniť príčina a dôsledok. Príkladom je fiktívny telefón zvaný tachyónový, v ktorom sa šíri informácia nadsvetelnou rýchlosťou (v normálnych telefónoch svetelnou rýchlosťou). Dá sa vypočítať, že taký telefón by mal pozoruhodné vlastnosti. Ak cez neho chcete poslať správu a človek na druhom konci odpovedá, dostanete odpoveď skôr, ako ste sa spýtali. Znie to nezmyselne, že? Neexistuje exaktný argument, prečo sa to nemôže stať, ale veríme, že túto intuitívnu samozrejmosť už nám krutá príroda nevezme. Aj narušenie kauzality má ďalekosiahle dôsledky, a to možná cesta do minulosti. Je však celkom možné, že nám v týchto úvahách niečo uniká. Možno opäť raz používame našu logiku a jazyk, ktorý bude potrebné rozšíriť o nové pojmy, aby sme mohli presnejšie špecifikovať intuitívne pojmy ako príčina a následok. Klasická úvaha, že sa vrátite do minulosti, urobíte tam šarapatu a zmeníte chod dejín, je možno problémom len v našej hlave. Veď keď si to predstavíte, napokon pôjdete do novej budúcnosti a zo svojho subjektívneho pohľadu žiaden priamy spor tam nie je. Subjektívnosť reality, čiže relativita, je aj v názve teória relativity, no možno je táto relativita len plytkým úvodom k niečomu všeobecnejšiemu.

Pre časopis Mladý vedec som napísal článok zrozumiteľný základnej a strednej škole, kde som vysvetlil Einsteinove myšlienkové experimenty počnúc históriou o čarovnej rýchlosti svetla. Keď som vzápätí zistil, že všeobecná teória relativity a paradox dvojčiat, ktoré sa pre vysoký matematický aparát učia až v posledných ročníkoch na teoretickej fyzike, sa tiež dajú vysvetliť bez rovníc, pustil som sa do druhého článku. Ak sa do tohto poznania chcete ponoriť, dolu sú oba články.

Spoznávame teóriu relativity

Spoznávame všeobecnú teóriu relativity