Co se šíří rychleji než světlo, ale neporušuje Einsteinovu teorii

- Vesmír autor: Viktor Skalák

Když Albert Einstein poprvé předpověděl, že šíření světla ve vesmíru je všude stejné, mimo jiné světlu přiřknul konečnou rychlost: 299792458 metrů za sekundu — touto rychlostí obletíte zemi osmkrát za sekundu. To však není celý příběh. Vlastně, pouhý začátek.

Reaktor v laboratoři v americkém Idahu v akci. Charakteristicky modré Čerenkovovo záření

Reaktor v laboratoři v americkém Idahu v akci. Charakteristicky modré Čerenkovovo záření,zdroj: Idaho National Laboratory

Před Einsteinem, hmota — tedy atomy, které tvoří nás a vše co vidíte — a energie byly považovány za rozdílné veličiny. Ale v roce 1905, Einstein navždy změnil způsob, jakým fyzici chápali vesmír.

Einsteinova speciální teorie relativity natrvalo propojila hmotu a energii s pomocí jednoduché, přesto fundamentální rovnice E=mc2. Tato kratičká rovnice nám říká, že žádné hmotné těleso se nemůže pohybovat rychlostí světla či rychleji.

Nejblíže bylo lidstvo k této konečné rychlosti v obrovských částicových urychlovačích jako Velký hadronový urychlovač (LHC) a Tevatron.

Tyto obrovské stroje urychlují subatomární částice k rychlostem dosahujícím 99,99 procenta rychlosti světla, ale jak vysvětluje držitel Nobelovy ceny za fyziku David Gross, částice konečné rychlosti nikdy nedosáhnou.

To by vyžádovalo nekonečné množství energie, během čehož by hmotnost urychlovaného tělesa rovněž nekonečně vzrostla a to samozřejmě není možné. (Světlo, tvořené částicemi nazývanými fotony, se může šířit rychlostí světla, protože fotony mají nulovou klidovou hnotnost.)

Od dob Einsteina fyzici zjistili, že jisté fyzikální jevy mohou dosáhnout nadsvětelné rychlosti a stále být v souladu s vesmírnými pravidly stanovenými speciální relativitou. A ačkoli tyto jevy neporušují Einsteinovu teorii, umožňují nám nahlédnout do zvláštního chování světla a do světa kvantové fyziky.

Světelný ekvivalent sonického třesku

Když těleso letí nadzvukovou rychlostí, vytváří tzv. sonický třesk. To teoreticky znamená, že předmět letící nadsvětelnou rychlostí by měl vytvářet něco jako "světelný třesk".

Ve skutečnosti tento světelný třesk probíhá každý den v zařízeních po celém světě — dokonce ho lze spatřit pouhým okem. Nazývá se Čerenkovovo záření a pozorovateli se jeví jako modrá záře svítící z vnitřku jaderného reaktoru.

Čerenkovovo záření nese jméno ruského vědce Pavla Alexejeviče Čerenkova, který ho jako první v roce 1934 změřil a za objev byl odměněn Nobelovou cenou za fyziku pro rok 1958.

Čerenkovovo záření emituje světlo, protože jádro jaderného reaktoru je kvůli chlazení ponořeno ve vodě. Světlo ve vodě cestuje pouze 75procentní rychlostí světla oproti vakuu. Elektrony vzniklé z jaderné reakce ale cestují rychlostí vyšší, než je samo světlo schopno v daném prostředí.

Částice, jako zmíněné elektrony, které překonají rychlost světla ve vodním prostředí ale i jakémkoli jiném, jako např. sklo, vytvářejí rázovou vlnu ne nepodobnou zvukové rázové vlně u sonického třesku.

Když např. raketa letí vzduchem, vytváří tlakové vlny na čele rakety. Čím blíže je rychlost rakety k hranici rychlosti zvuku, tím méně času mají tyto vlny na to, aby "uhnuly z cesty" letící raketě. Pokud raketa dosáhne rychlosti zvuku, vlny se slejí a vytvoří rázovou vlnu, kterou slyšíme jako sonický třesk.

Stejně tak, když elektrony letí skrz vodní prostředí rychlostí větší, než je rychlost světla v daném prostředí, vytvoří elektromagnetickou obdobu zvukové rázové vlny, kterou někdy můžeme vidět jako modrou zář.

A ačkoli částice cestují rychlostí větší, než je rychlost světla ve vodě, nijak nepřekračují absolutní rychlost světla, tedy rychlost světla ve vakuu (vesmírný rychlostní limit 299792458metrů za sekundu).

Když pravidla neplatí

Pro připomenutí, Einsteinova speciální teorie relativity říká, že nic hmotného nemůže letět stejně rychle nebo rychleji než světlo. A vypadá to, že se řídí tímto pravidlem. Co ale těleso/částice s nulovou hmotností?

Prázdný prostor nic neobsahuje a tedy také nic neváží.

"Jelikož prázdno je jen prázdný prostor či vakuum, může prázdno expandovat rychleji, než je rychlost světla, neboť žádné hmotné těleso mu nebrání v překročení světelné bariéry," říká teoretický fyzik Michio Kaku v pořadu Big Think.

Fyzici se domnívají, že přesně to se stalo krátce po velkém třesku v období nazývaném inflace, kdy během biliontiny biliontiny sekundy došlo k exponenciálnímu rozpínání vesmíru, což mělo za následek, že okraje vesmíru se rozpínaly rychlostí mnohem větší než je rychlost světla. S touto myšlenkou přišel Alan Guth v roce 1980. 

Kvantové provázání 

Kvantové provázání zní sice složitě, ale v základu jde jen o to, jak mezi sebou komunikují subatomární částice.

"Pokud mám dva elektrony blízko sebe, můžou, podle kvantové teorie, souhlasně kmitat," vysvětluje Kaku. Když je oddělíme tak, že vzdálenost mezi nimi je stovky nebo i tisíce světelných let, uchovají si mezi sebou komunikační kanál, jisté provázání.

"Pokud zakmitám s jedním elektronem, druhý elektron tuto změnu okamžitě zaznamená, rychleji než rychlostí světla. Einstein si proto myslel, že tento efekt vyvrací kvantovou teorii, protože přece nic se nemůže šířit rychleji než světlo," dodává Kaku.

Einstein, Boris Podolsky a Nathan Rosen se dokonce v roce 1935 pokoušeli vyvrátit kvantovou teorii myšlenkovým experimentem, na který Einstein odkazoval jako na "strašidelné působení na dálku". 

Jejich článek položil základy pro to, co dnes známe jako EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) paradox popisující kvantové provázání, který posloužil jako základ pro některé moderní technologie, jako třeba kvantové kryptografie.

Sny o červích dírách

Jelikož nic hmotného nemůže cestovat rychleji než světlo, můžeme se rozloučit s mezihvězdným cestováním, alespoň tedy s pomocí konvenčních raket.

I když Einstein rozdupal někdejší představy o vesmírných letech, v roce 1915 nám dal novou naději pro mezihvězdné cestovaní - obecnou teorii relativity.

Zatímco speciální relativita provázala hmotu a energii, obecná spolu propojila prostor a čas.

"Jediná možná cesta překročení světelné bariéry může být skrz obecnou teorii relativity a zakřivení časoprostoru," píše Kaku.

Tomuto zakřivenému časoprostoru někdy hovorově říkáme červí díra - objekt, který by nám teoreticky umožnil cestovat na obrovské vzdálenosti téměř okamžitě, a v podstatě nám tak umožnil obejít vesmírný rychlostní limit.

V roce 1988, teoretický fyzik Kip Thorne (mimochodem vědecký poradce a výkonný producent nového filmu Interstellar) použil Einsteinovy rovnice obecné relativity k předpovězení možnosti červích děr, které by jednou provždy umožnily mezihvězdné cestování.

Pokud by ale bylo možné červími dírami projít, potřebovali bychom exotické formy hmoty, které by zajistily, že červí díra nezkolabuje.

A jak píše Thorn ve své knize The Science of Interstellar, díky podivnostem v zákonech kvantové fyziky taková formy hmoty existuje. 

Když Thorne v roce 1988 navrhl teorii stabilních červích děr, vyzval fyzikální komunitu, zda by mu nepomohla určit, je-li ve vesmíru dostatek exotických forem hmoty k potvrzení možnosti existence červích děr.

"To rozjelo spoustu výzkumů se spoustou fyziků; ale dnes, téměř o třicet let později, se na odpověď stále čeká," píše Thorne. Momentálně to nevypadá moc dobře. "Ale od definitivní odpovědi jsme stále daleko," dodává.

Tagy: fyzika kvantová fyzika věda a technika dobývání vesmíru věda a poznání Čerenkovovo záření

Zdroje: Business Insider