Článek
Nezávislá skupina vědkyň a vědců z českých i zahraničních výzkumných institucí odpovídá na vaše dotazy. Některé odpovědi pak sdílí i na sociálních sítích Facebook, Twitter, Instagram, Threads a zde na Médiu.
Dotaz
Může světlo zrychlit nad „rychlost světla“? Zní to hloupě, ale světlo v případě efektu gravitační čočky kolem černé díry nebo jiného velmi hmotného objektu mění trajektorii, tak jestli taky lokálně nemůže „přesáhnout rychlost světla“. Chápu, že foton není hmotnou částicí, ale přesto na něj gravitace působí, minimálně co se směru týče, tak proč ne na rychlost? (Pochopitelně když se pak zase vzdaluje od černé díry, tak by se zase úměrně zpomalil a tak ve výsledku to je jedno – nemáme to jak změřit – ale i tak jsem zvědav). Stejná myšlenková potíž nastává pokud to světlo je pohlceno černou dírou a za horizontem událostí už díky transformaci časoprostoru by též mělo dojít k zdánlivému zrychlení pro vnější pozorovatele (kdyby to mohl nějak pozorovat), ale tam chápu, že už to nemáme k jaké společné časové základně vztáhnout – proto se raději v původní otázce zaměřuji na to, co je ještě v představitelných dimenzích.
Odpověď
Tato otázka musí být zodpovězena v rámci obecné teorie relativity, teorie nabízející dodnes nejpřesnější popis gravitace. Tato teorie sjednocuje koncepty prostoru a času, kterým všichni intuitivně dobře rozumíme, do abstraktnějšího konceptu čtyřrozměrného (3D+1D) geometrického rámce zvaného časoprostor. Naše realita popsaná v rámci časoprostoru se může zdát bizarní, protože prostor a čas se nyní mohou překvapivým způsobem vzájemně ovlivňovat.
Pohyb v časoprostoru
Všechny fyzické objekty (fotbalový míč, planety, světlo) se pohybují v časoprostoru po lokálně přímých trajektoriích. „Lokální“ znamená na malé vzdálenosti, což by mohla být například pozemská laboratoř. Objekty pohybující se různými rychlostmi mají v geometrii prostoročasu jednoduše různé poměry „posunutí prostoru“ k „posunu času“. Tyto posuny se lokálně jeví pozorovateli jako přímé.
Světlo se pohybuje v časoprostoru s konstantním poměrem prostorových a časových posunů nazývaných rychlost světla. Lokálně je rychlost světla vždy konstantní, přibližně 300 000 km/s, bez ohledu na vlastnosti časoprostoru obklopujícího pozorovatele.
Časoprostor lze ohýbat
Časoprostor lze ohýbat za přítomnosti koncentrace hmoty a energie, například v blízkosti Slunce, černé díry nebo galaxie. V tomto případě se trajektorie objektů v časoprostoru mohou na dlouhé vzdálenosti jevit jako zakřivené. Časoprostor naší sluneční soustavy je deformován Sluncem ve středu, což vysvětluje kruhový pohyb planet. Deformace časoprostoru způsobuje účinky dilatace (prodloužení) času charakterizované změnou vnímání toku času mezi pohybujícím se objektem a pevným pozorovatelem.
Například hodiny, které nese cestovatel daleko od gravitačního pole naší sluneční soustavy, by běžely rychleji než hodiny, které zůstávají na Zemi. Tento efekt je vysvětlen zakřivením časové osy, čímž je celkový čas nelokálního posunu delší než doba přímky v plochém časoprostoru.
Na družicích čas plyne trochu rychleji
S dilatací času musí počítat družice GPS, které cestují vesmírem, kde čas plyne o něco rychleji kvůli slabšímu gravitačnímu poli, kterému jsou vystaveny. Rozdíl je minimální, asi jedna nanosekunda za rok. Přesto se systém GPS spoléhá na extrémně přesné hodiny pro měření zeměpisné polohy pomocí triangulace. Jejich přesnost by byla snížena bez relativistických korekcí.
Dilatace času také vysvětluje, proč se světlo jeví jako zpomalené, když prochází pokřiveným prostoročasem, zatímco má lokálně konstantní rychlost. Nikdy se však nemůže zdát, že světlo cestuje rychleji než „rychlost světla“. Trajektorie rychlostí světla v časoprostoru jsou přímé, což již odpovídá nejkratší možné cestě mezi dvěma body v geometrii. To je geometrické omezení čtyřrozměrného prostoru, ve kterém žijeme.
Dvě omezení pro světlo
Abyste tomuto konceptu lépe porozuměli, představte si, že někdo sjíždí z kopce a vy na něj koukáte shora. Když jede rovně dolů, jede svojí maximální rychlostí. Ale když se jeho směr jízdy vychýlí do strany, zpomalí se. Stejně jako u světla budete čelit dvěma omezením: nemůžete jet do kopce (zpět v čase) a vaše maximální rychlost je omezena úhlem sklonu (rychlostí světla).
Pro Zeptej se vědce odpovídal Benoit
Benoit Lefebvre, PhD, ELI Beamlines – Fyzikální ústav AV ČR
Zdroje
- C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, D. J. Wineland, Optical Clocks and Relativity. Science 329, 1630 (2010)
- Sean M. Carroll, Spacetime and Geometry: An Introduction to General Relativity, Cambridge University Press (2019)
Zeptej se vědce
Projekt Zeptej se vědce se snaží zprostředkovat kontakt mezi vědeckou a nevědeckou veřejností. Máte-li na vědce nějaký dotaz, zeptejte se nás na Facebooku, Twitteru nebo Instagramu. Líbí se vám naše příspěvky? Budeme rádi, když podpoříte naši činnost: darujme.cz/projekt/1209422
