Vesmírny web

Spoznávame teóriu relativity

Ako sme vyrastali, učili sa chodiť, ohmatávali predmety a učili sa vnímať svet okolo seba, vytvárali sa nám v hlave prirodzené predstavy o priestore a čase. Keď si pred odchodom nastavíme hodiny na ruke podľa kuchynských hodín, po návrate domov zvyknú ukazovať rovnaký čas ako kuchynské hodiny. Ak nie, predpokladáme, že niektoré hodiny idú zle. Keď cestujeme autom a hľadíme z okna, nevšimneme si žiadne zmeny – domy majú nezmenený tvar a všetko vyzerá rovnako, ako keď stojíme na mieste. Ak chceme prísť do školy rýchlejšie, pridáme do kroku. Ak to chceme stihnúť za polovičný čas, dvakrát zrýchlime. Všetky tieto predstavy však fungujú vďaka tomu, že sa v našom živote nestretávame s príliš veľkými rýchlosťami. Kráčame, jazdíme autom, letíme lietadlom, ale vždy ide o rýchlosti omnoho menšie, než je rýchlosť svetla, čo je nepredstaviteľných 300 000 kilometrov za sekundu. Svetlo k nám pricestuje zo Slnka za osem minút a za sekundu obehne Zem sedemkrát. Albert Einstein prišiel na to, že pri rýchlostiach blízkych rýchlosti svetla už naša vrodená intuícia zlyháva a dejú sa neuveriteľné veci. Domy začnú meniť svoj tvar, hodiny spomaľovať, vzdialenosti skracovať a, ako si podrobne vysvetlíme, môže sa stať aj to, že po ďalekom výlete sa človek vráti o tridsať rokov mladší ako jeho jednovaječné dvojča.

Čarovná rýchlosť svetla

Už stredovekí mudrci bojovali s výzvou zmerať rýchlosť svetla a pretože je skutočne veľká, išlo o tvrdý oriešok. Odrazy lampášov od vzdialených zrkadiel boli bezvýsledné a rozumnú hodnotu poskytli až sofistikované metódy, ako napríklad pozorovanie Jupiterovho mesiaca Io. Astronóm Ole Rømer si všimol, že mesiac Io vychádza z tieňa Jupitera s istým oneskorením, keď sa Jupiter nachádza ďalej od Zeme. To možno vysvetliť iba tak, že svetlu vtedy trvá dlhší čas, kým sa dostane k Zemi. Na základe toho sa odhadla rýchlosť svetla na 220 tisíc kilometrov za sekundu. Neskôr sa podarilo urobiť dômyselné pokusy na Zemi s rýchlo rotujúcimi zrkadlami alebo s využitím optických zákonov – interferencie.

Keď vychádza mesiac Io, svetlu trvá istý čas, kým sa dostane k Zemi. Keď je Jupiter ďalej od Zeme, tento čas je dlhší.Samotná rýchlosť svetla však nebola až taká zaujímavá ako jej čarovná vlastnosť, ktorá vtedy vedcom vyrazila dych.

Isaac Newton predpokladal, že svetlo sa šíri éterom, čo má byť akási hmota, ktorá je všade okolo nás. Napísal: Neviem, čo je éter, ale ak sa skladá z častíc, musia byť menšie ako tie, z ktorých sa skladá vzduch alebo svetlo... Niektorí vedci verili, že svetlo sa šíri éterom podobne ako sa zvuk šíri vzduchom a hľadali analógie. Zvuk je spôsobený kmitaním molekúl vzduchu, ktoré do seba postupne narážajú, až kým nerozkmitajú náš ušný bubienok. Rýchlosť zvuku teda závisí od rýchlosti nárazov molekúl vzduchu. Podobne by mal určo¬vať rýchlosť svetla zatiaľ neznámy éter. No nikto netušil, čo môže tvoriť éter a ako ho hľadať. Použili sa citlivejšie optické prístroje schopné namerať aj malú zmenu v rýchlosti svetla. Tá vyšla rovnaká kdekoľvek na Zemi v ľubovoľnom smere.

To znamená, že hypotetický éter sa vzhľadom na Zem nepohybuje a otáča sa spolu s ňou. Keby sa totiž éter pohyboval, namerali by sme rozdiely v rýchlosti svetla, keďže svetlo sa šíri éterom. Lenže tu začína logický problém, pretože éter nie je iba na Zemi, ale musí ním byť zaplnený celý viditeľný vesmír, aby sme vôbec videli svietiť hviezdy. Poslednou záchranou éteru bola myšlienka pritiahnutá za vlasy, že Zem strháva éter so sebou.

Čas plynie pomalšie

Najpresnejšie atómové hodiny boli naložené do lietadla a obleteli Zem. Keď sa lietadlo vrátilo, letiace hodiny ukazovali iný čas a boli oproti pozemským atómovým hodinám „mladšie“. Tým sa nám nabúrala naša tradičná predstava o čase, ktorý by mal plynúť všade rovnako.

Iným zaujímavým fenoménom je takzvané sekundárne kozmické žiarenie dopadajúce na povrch Zeme. Kozmické žiarenie dopadajúce na zemskú atmosféru asi tridsať kilometrov nad zemským povrchom spôsobuje vznik častíc – miónov. Tieto častice žijú tak krátko (dve mikrosekundy), že podľa klasickej predstavy nemajú šancu prejsť tridsať kilometrov a dopadnúť na povrch Zeme. No napriek tomu ich na Zemi detegujeme. Vysvetlenie je také, že z nášho pohľadu žijú mióny dlhšie, pretože vďaka pohybu im pomalšie plynie čas. Za tento predĺžený čas stihnú dopadnúť na Zem.

O rôzne starých dvojčatách

Úvahy o pomalšom plynutí času vedú k rôznym prekvapujúcim záverom a tým najzaujímavejším je paradox dvojčiat. Danka a Janka sú jednovaječné dvojčatá. Sú rovnako staré a rozozná ich len vlastná mama. Danka sa jedného dňa vydá na ďalekú a dlhú cestu rýchlou kozmickou loďou a vráti sa na Zem. Janka čakajúca na Zemi vytrhne zo svojho kalendára 40 rokov, ale Danka iba 10 rokov, pretože z pohľadu Janky Dankin čas v rakete plynie pomalšie. Danka zrazu bude o 30 rokov mladšia ako Janka, hoci sa narodili spoločne. Hoci sa tento fenomén pomenoval ako paradox, je reálny a nič paradoxné v ňom nie je. Len zaujímavo poukazuje na naše medzery v chápaní času. Podobný experiment sa úspešne vykonal so spomenutými hodinami v lietadle.

Vzdialenosti sa skracujú

V scifi filmoch ako Hviezdne vojny alebo Star Trek prekonávajú kozmické lode veľké vzdialenosti za krátky okamih. Filmy sa inšpirovali teóriou relativity a skutočnosť je taká, že veľké vzdialenosti netreba dlho prekonávať. Pri veľkých rýchlostiach sa môže vzdialenosť dvoch hviezd skrátiť takmer na nulu! Predstavte si, že sa v rýchlej kozmickej lodi chcete dostať na vzdialenú planétu. Postupne zrýchľujete a planéta sa postupne približuje. Pri rýchlosti blízkej rýchlosti svetla sa stane čosi nečakané. Ešte ste neprešli ani pár kilometrov a k planéte chýba už iba kúsok. Pozriete sa z okna a všetky hviezdy sú nalepené blízko vedľa seba a planéty sú sploštené ako placka. Všetky vzdialenosti sa skrátili v smere pohybu. Pomyslíte si, že je to sen, zľaknete sa a začnete brzdiť. Náhle sa všetko začne od seba vzďaľovať a nadobudne pôvodné rozmery. Planéta, ktorá bola pred chvíľou kúsok od vás, je opäť veľmi ďaleko.

Tu si treba uvedomiť to, čo povedal Galileo Galilei. Pretože vo vesmíre nemáme pevný bod, nedá sa povedať, čo sa vlastne pohybuje. Pohybuje sa raketa alebo okolité hviezdy? Pohybuje sa mión k Zemi alebo Zem k nemu? Odpoveď závisí od pozorovateľa. Pozorovateľ v rakete vidí, že sa pohybujú okolité hviezdy a planéty, a preto sa skrátia vzdialenosti medzi nimi. Pozorovateľ na Zemi naopak vidí pohybujúcu sa raketu, ktorá je skrátená v smere pohybu. Nevidí však, že by sa raketa dostala bližšie k planéte. Každý skrátka vidí niečo iné.

Zakliaty telefón

Aby sme s dôsledkami nadsvetelnej rýchlosti zašli až do extrému, opíšme si teraz jeden fiktívny vynález s menom tachyónový telefón. Tachyóny sú hypotetické častice, ktoré sa pohybujú rýchlejšie ako svetlo, a preto ak aj existujú, nikto ich nikdy neuvidí. Ak by tachyóny existovali, mohli by sme zostrojiť telefón, kde by namiesto elektrónov prúdili káblom tachyóny. Vedci vypočítali, že takýto telefón by mal veľmi zvláštne vlastnosti. Ak Janka zatelefonuje Danke „Ako sa máš?“ a Danka odpovie „Skvele!“, Janka dostane odpoveď skôr, ako sa opýtala! Jav, keď dôsledok predbehne príčinu (v našich príkladoch odpoveď predbehne otázku alebo guľôčka vyjde skôr ako vojde), voláme narušenie kauzality. Aby sme sa zakliatemu telefónu a podobným scenárom vyhli, veríme tvrdeniu, že narušenie kauzality sa nesmie stať a nič sa nemôže pohybovať rýchlejšie ako svetlo. Potom je podľa výpočtov v špeciálnej teórii relativity všetko v poriadku. Rýchlosť svetla sa tak stala ešte čarovnejšou. Nielen, že je z každého pohľadu rovnaká, ale dokonca je maximálnou možnou rýchlosťou, akou sa môže šíriť informácia.

ENG