Proč je rychlost světla konstantní

Jak změřit rychlost světla

Rychlost světla se ještě nedávno považovala za nekonečnou (Johannes Kepler), nulovou (světlo je statické, nepohybuje se, Aristoteles) a až později za velmi vysokou, takže ji není možné změřit (Francis Bacon).

Zřejmě první z pokusů změřit rychlost světla provedl počátkem 17. století Galileo Galilei. On a jeho asistent vyšplhali na dva, míli od sebe vzdálené kopce. Oba nesli v ruce rozsvícené, ale zakryté lucerny. Galileo na okamžik lucernu odkryl a asistent, sotva k němu dolétlo světlo z Galileovy lucerny, udělal totéž. Z času který uplyne mezi odkrytím vlastní lucerny a zahlédnutím paprsků s druhé lucerny chtěl Galileo spočítat rychlost světla. Nepočítal však s tím, že doba letu světla je kratší, než doba reakce asistenta.

První přesnější měření této rychlosti v 17. století vycházelo z astronomických pozorování (1676, Ole Rømer, pozorování Jupitera a jeho měsíce Io) a teprve později byl použit pozemní přístroj (1862, Fizeau-Foucaltův přístroj).

Pozoruhodné je, že oba tyto experimenty určily rychost světla na 298 000 km/s, i když se jednalo o odhad s velkou chybou měření. A. Michelson zdokonalil Fizeau-Foucaltův přístroj, zvětšil vzdálenost pro měření a v roce 1926 určil rychost světla jako 299 796 km/s s chybou +/- 4 km/s, což už je hodnota blížící se současným měřením.

Později se pro měření touto metodou začaly využívat lasery a také Galileova přímá metoda byla “modernizována” – mise Apolo 11 umístila na Měsíci koutový odražeč, takže bylo možné měřit čas, za nějž světlo z laseru urazí vzdálenost od Země k Měsíci a zpět.

Stále přesnější experimenty skončily v roce 1983, kdy byla rychlost světla definována v metrickém systému jednotek, např. SI, hodnotou 299 792 458 m/s přesně. Sám metr, jako jednotka vzdálenosti, je definován pomocí rychlosti světla. Je to vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za 1/299 792 458 s a přesnost měření se tedy týká přesnosti měření této vzdálenosti.

A ještě to nejlepší nakonec. Víte, že je možné si změřit rychlost světla doma? Rychlost všech elektromagnetických záření je stejná jako rychlost světla. Můžeme tedy změřit rychlost vln v mikrovlnné troubě, kterou spočteme vynásobením vlnové délky a frekvence vln. K pokusu potřebujeme mikrovlnku, pytlík marshmellows, zapékací misku a pravítko. Pokud nemáte marshmellows, stačí nastrouhaná čokoláda.

Z mikrovlnky nejprve odstaníme pohyblivý talíř. Marshmellows nebo nastrouhanou čokoládu vyskládáme do zapékací misky v jedné vrstvě, misku vložíme do mikrovlnky a spustíme mikrovlnný ohřev. Tento ohřev není rovnoměrný a marshmellows se začnou v některých místech tavit.

Ohřev zastavíme, misku vyndáme a měříme vzdálenosti mezi sousedními roztavenými body. Naměřená vzdálenost by se měla opakovat a být kolem 12 cm. Ze štítku na zadní straně mikrovlnky přečteme frekvenci mikrovlnného generátoru – obvykle je to 2,45 GHz. A nyní už jen vypočteme rychlost světla:

2,45 x naměřená vzdálenost v m = rychlost světla v m/s

Proč je rychlost světla konstantní?

Tak nejprve, rychlost světla je fyzikální konstanta. Fyzika potřebuje konstanty, na kterých může stavět fyzikální zákony. Příkladem jsou konstanty jako Planckova, Avogadrova a další. Jako konstantu ji definoval Albert Einstein ve své speciální teorii relativity, ve známém vzorci

E =ϒ m.c2

v němž E je energie objektu, m je jeho hmotnost, ϒ je Lorentzův faktor a c je právě rychlost světla. Mimochodem, označení c je buď z latinského celeritas – rychlost, nebo constans – konstanta. Podle dosud nevyvrácené teorie relativity je pak rychlost světla nejvyšší rychlostí, kterou se může pohybovat jakýkoli signál nebo informace.

Pokud vám tato odpověď nestačí, asi myslíte na známý paradox teorie relativity, který jaksi neodpovídá “zdravému selskému rozumu”. Jde o toto: jestliže vyrazí z Prahy auto A rychlostí 100 km/h a z Brna auto B stejnou rychlostí, každému z řidičů se druhé auto přibližuje rychlostí 200 km/h. Jinými slovy vzdálenost 200 km mezi sebou překonají za hodinu a setkají se na půli cesty. Jejich vzájemná rychlost se sčítá a je 200 km/h. Takto jednoduché sčítání však neplatí, pokud se součet rychlostí blíží rychlosti světla. Představme si raketu letící vesmírem rychlostí poloviční, než je rychlost světla (0,5 c). V raketě obsluha rozsvítí světlomet ve směru pohybu rakety – chce lépe vidět na cestu. Pro obsluhu rakety letí světlo rychlostí c. Selský rozum nám říká, že pro pozorovatele mimo raketu světlo ze světlometu letí rychostí c + 0,5 c. Teorie relativity však tvrdí, a experimenty to potvrzují, že světlo ze světlometu poletí i pro externího pozorovatele zase jen rychlostí světla (c), a to dokonce i v případě, že obsluha světlomet zamíří na opačnou stranu. Jak je to možné?

Může za to smršťování prostoru a rozpínání času. Kde se tu ale prostor a čas vzal? Rychlost jakéhokoli objektu, tedy i rakety nebo světelného paprsku, měříme jako vzdálenost v prostoru, kterou raketa či paprsek urazí za určitý čas. Obsluha rakety tedy metrem naměří vzdálenost, hodinami čas a vypočte rychlost paprsku – vůči raketě na obě strany rychlost světla – c. Ten kdo pozoruje raketu zvenčí však také naměří rychlost c světla bez ohledu na rychlost pohybu rakety a směr letu světelného paprsku. Musíme se tedy ptát co se stalo se vzdáleností a časem, s metrem a hodinami. Einstein objevil, že čas a prostor jsou propojené a pro pozorovatele mimo raketu se prostor smršťuje a čas natahuje, takže vypočtená rychlost světla zůstává konstantní.

Brian Greene ve své knize Struktura vesmíru uvádí pro pochopení ještě jeden příklad. Motorkář jede rychlostí 100 kilometrů za hodinu severním směrem. Pak se napojí na dálnici mířící severovýchodním směrem, takže rychlost severním směrem bude menší než 100 kilometrů za hodinu. Greene píše: “Důvod je jasný. Nejprve byla veškerá jeho rychlost vyčleněna na pohyb k severu, jenže když pozměnil směr, část rychlosti tím odklonil pro pohyb směrem východním a pro severní orientaci zůstala jen troška”. Na tomto příkladu můžeme pochopit propojení času a prostoru – stojící motorka spotřebuje veškerý pohyb na pohyb časem. A naopak elektromagnetické vlnění pohybující se rychlostí světla spotřebuje veškerý pohyb na pohyb porostorem. Čas se pro ni zastavil.

Pro úplnost ovšem musíme říci, že byly vypracovány různé teorie, které připouštějí nadsvětelné rychlosti šíření informace či hmoty. Přinášejí ale rozpory s platnými zákony fyziky a žádná z nich nebyla potvrzena experimentálně. Nicméně pro hypotetickou částici, pohybující se nadsvětelnou rychlostí, už byl vytvořen název – tachyon.

Přes to, co již bylo řečeno, si za chvíli řekneme, že i rychost světla je možné překročit. Ale jak ji vůbec dosáhnout?

Jak dosáhnout rychlosti světla

Řekněme si hned na začátek, že podle teorie relativity žádné hmotné těleso nemůže rychlosti světla dosáhnout. A aby toho nebylo málo, dodejme že všechna tělesa s nulovou hmotností se pohybují rychlostí světla. Tady už narážíme na hranice lidské představivosti.

Nejprve se zrychlováním tělesa. Jestliže letí raketa a nějaký pohon jí dodává konstantní zrychlení, poletí rychleji a rychleji, ne? Není tomu tak. Při nízkých rychlostech to platí, ale při vyšších nikoli. Zvyšující se rychlost totiž podle teorie relativity zvyšuje hmotnost objektu.

Zpočátku to není příliš znatelné. Při 0,6 c se zvýši hmotnost asi o čtvrtinu, ale při 0,87 c už je dvojnásobná a se zrychlením začíná rychle růst. Ke zrychlení potřebujeme více a více energie, takže pro zrychlení na rychlost světla bychom potřebovali energie nekonečně mnoho. Žádná hmotná částice tedy nemůže rychlosti světla dosáhnout.

Fotony, které tvoří světelný paprsek, mají klidovou hmotnost nulovou. V klidu však neexistují – pouze v pohybu. Vznikají vyzářením energie při mnoha různých fyzikálních jevech. Podle speciální teorie relativity se ve vakuu vždy pohybují rychlostí světla a mají tedy energii i hmotnost, i když jenom pohybovou.

Vypadá to jako bychom náš svět mohli rozdělit na dvě skupiny věcí – těch, které rychlosti světa nikdy dosáhnout nemohou, a těch, které ji naopak nemohou opustit.

Jak překonat rychlost světla

Už jsme si řekli, že rychlost světla je 299 792,458 km/s. To ovšem platí pouze ve vakuu, kde šíření světla nic nebrání. V ostatních materiálech, jako je vzduch, voda nebo sklo se rychlost světla snižuje podle indexu lomu tohoto materiálu.

Čistá voda má index lomu 1,33, ale sklo už mezi 1,5 – 1,9 a křemík dokonce 4,01. Světlo v něm tedy letí čtvrtinovou rychlostí světla, cca 75 000 km/s. Tuto rychlost mohou v daném prostředí překonat nabité částice, například vysokoenergetické elektrony (záření beta) v jaderných reaktorech. Výsledkem je zde modravé Čerenkovovo záření, což je zjednodušeně řečeno obdoba zvukové rázové vlny při překonání rychlosti zvuku.

Nadsvětelná rychlost je ale možná i v mnoha dalších případech. Jedním je nadsvětelná rychlost dvou stojících objektů v rozpínajícím se vesmíru vůči sobě navzájem. Podle Hubbleova zákona se rychlost jejich vzdalování zvětšuje s jejich vzdáleností. Při velmi velké vzdálenosti tak může být větší, než je rychlost světla.

Zde ale nejde o rychlost objektu v prostoru, ale o jeho pohyb s rozpínajícím se prostorem, a ten je základem teorie vesmírné inflace. Nadsvětelná rychlost zde neporušuje teorii relativity, neboť mezi objekty nedochází k žádnému přenosu informace.

Nakonec si ještě řekneme o nadsvětelné rychlosti cestování a dvou způsobech jak ji umožnit. Jedním jsou červí díry, druhým pak pohon WARP. Oba jistě známe ze Sci-Fi literatury a filmů, ale na jejich popsání a případném využití pracuje třeba americká NASA.

Červí díry byly takto nazvány díky analogii s červem v jablku. Červ proleze jablkem a překoná tak kratší vzdálenost z jedné strany jablka na druhou, než kdyby lezl po povrchu. Pokud bychom časoprostor zakřivili podobně, mohl by se cestovatel z jednoho místa ve vesmíru na druhé dostat nadsvětelnou rychlostí, i když by přitom rychlost světla nepřekročil.

Pohon WARP pak je jen jinou možností, jak prostor ošálit. Jako první popsal warpový pohon Miguel Alcubierre v roce 1994 a později fyzik Harold White z NASA potvrdil, že použít warpový pohon je možné.

Alcubierre vymyslel, jak umožnit vesmírné lodi cestovat jakoukoli rychlostí pomocí zkroucení časoprostoru (anglicky warp). Časoprostor by byl před lodí stlačen, za lodí by se opět rozpínal. Loď by mezitím klouzala jako surfař na vlně v jakési prostorové bublině a prostor okolo by ji poháněl rychlostí vyšší než světlo.

Popis warpového pohonu využívá faktu, že smršťování a rozpínání prostoru není omezeno rychlostí světla. Vždyť i náš vesmír se při velkém třesku rozpínal rychlostí větší, než je rychlost světla.

White už se o vznik warp bubliny pokouší v laboratorním měřítku, ale k praktickému využití je ještě daleko, pokud k němu vůbec někdy dojde. Zatím nám tedy nezbývá, než si o nadsvětelné rychlosti cestování číst, přemýšlet a snít.