Axina

Třetí epizoda třetí série amerického dokumentárního televizního seriálu Tajemný vesmír se zabývá rychlosti světla.

Axina

Rychlost světla ve vakuu je definována jako fázová rychlost postupného elektromagnetického vlnění ve vakuu. Činí přibližně 300 000 km/s. Přesněji 299 792 458 m/s, což je 1 079 252 848,8 km/h. Rychlost světla se týká samé podstaty vesmíru. Je nejvyšší možnou rychlostí šíření signálu či informace.

Rychlost světla a náš život

V moderní společnosti jsou na rychlost pohybu kladeny vysoké požadavky. Ale i ta nejrychlejší auta či rakety se jen plazí v porovnání s rychlostí světla. Rychlost světla je základním stavebním kamenem vesmíru. Fyzici říkají: Rychlost světla není jen dobrá idea, je to zákon. Rychlost světla je ve vesmíru nejdůležitějším rychlostním limitem. Tato neuvěřitelně vysoká rychlost je to první, co si uvědomíme, když se začneme zabývat jevem světla. Říct o něm, že je rychlé, je velmi slabé slovo. Když telefonujeme s někým na druhé straně světa, vůbec si neuvědomujeme nějaké časové zpoždění. Signál směřuje z mobilu na anténu sítě, odtud na satelit a zpátky dolů na Zemi a nám to připadá jako okamžik. Světelný paprsek je schopen obletět zeměmkouli 7 x za sekundu.

Právě díky rozdílu mezi rychlostí světla a tempem našeho života funguje náš svět tak, jak jsme zvyklí. Jen díky rychlosti světla můžeme vidět skutečně to, co je kolem nás. Všechno vidíme prakticky v okamžiku. Když rozsvítíme lampu, ihned vidíme světlo. Cokoli se kolem nás stane, okamžitě si toho všimneme. Z vlastní zkušenosti je nám naprosto jasné, že světlo putuje rychleji než cokoli jiného, dokonce i rychleji než zvuk.

Rychlost světla ve vesmíru

Z lidského hlediska je rychlost světla nepředstavitelná. V astronomickém měřítku tomu tak není. Rychlost světla má v kontextu něčeho tak rozlehlého, jako je vesmír, i svá omezení. Apollo 11 vylétlo do vesmíru rychlostí 40 000 km/h. Když bylo navázáno rádiové spojení s astronauty na povrchu Měsíce, vzdáleném od Země více než 380 000 km, projevila se konečná rychlost světla. Lidé se ze Země ptali Armstronga, jaké to tam je. Než astronaut odpověděl, uplynulo několik sekund. Signálu letícímu rychlostí světla trvalo 1,3 sekundy, než dorazil k Armstrongovi. A stejnou dobu trvalo, než se signál vrátil na Zemi. Vzdálenost Země - Měsíc je ale zanedbatelná v poměru k jiným vesmírným vzdálenostem.

Sluneční světlo letí k Zemi více než 8 minut. Kdyby Slunce přestalo svítit, trvalo by nám přes 8 minut, než bychom si toho všimli. Limity světelné rychlosti ztěžují komunikaci mezi Zemí a jejími vzdálenými sondami ve vesmíru. Cesta radiového signálu k sondám, zkoumajícím Mars, a zpátky trvá 44 minut. Více než 1,5 hodiny trvá cesta signálu k sondě Cassini u Saturnu. K Voyageru 1, naší nejvzdálenější sondě, která opustila Sluneční soustavu, dorazí signál za více než 16 hodin. Jsme jakžtakž schopni pochopit 18 miliard kilometrů, které nás dělí od Voyageru. V měřítcích vesmíru je však tato vzdálenost nicotná.

Nejbližší hvězdou k našemu Slunci je Proxima Centauri, červený trpaslík vzdálený téměř 43 bilionů kilometrů. Lidský mozek neumí tak vysoká čísla pojmout. Pro vzdálenosti ve vesmíru je zavedena názornější jednotka, a tou je světelný rok. Jeden světelný rok je vzdálenost, jakou světlo urazí za jeden pozemský rok. Přibližně 10 bilionů kilometrů. Používání světelného roku pro popis vzdáleností ve vesmíru dodává rychlosti světla novou dimenzi. Sirius v souhvězdí Velkého psa, nejjasnější hvězda oblohy, je od Země vzdálená 8,6 světelného roku. Takže my ji vlastně nevidíme takovou, jaká je dnes, ale takovou, jaká byla před téměř 9 lety. Jasnou hvězdu Vegu v souhvězdí Lyry vidíme jak vypadala před 25 lety. A červeného superobra Betelgeuse v souhvězdí Oriona vidíme v podobě, jakou měl před asi 600 lety.

Cesta k minulosti

Díky době, která trvá světlu, než k nám dorazí, se můžeme dívat zpět v čase. Čím hlouběji se do vesmíru díváme, tím hlouběji vidíme zpět do jeho historie. Kdyby k nám světlo dorazilo okamžitě, nemohli bychom si o historii vesmíru udělat žádnou představu.

Laura Danlyová, kurátorka historické Griffithovy observatoře v Los Angeles, shromáždila fotografie galaxií, které dokumentují historii vesmíru. Snímky, které zachycují vesmír od jeho počátku před více než 13 miliardami let až po současnost. Každá fotografie v albu zachycuje galaxie tak, jak vypadaly před tolika lety, jaká je jejich vzdálenost od nás. Slavnou Krabí mlhovinu v souhvězdí Býka před 6 500 lety. Galaktické jádro Mléčné dráhy před 26 000 lety. Nám nejbližší galaxiii - Velkou galaxii v souhvězdí Andromedy - před 2 500 000 let. Když Laura Danlyová fotografie seřadila dle stáří objektu, začal se rýsovat obecnější pohled na vývoj hmoty ve vesmíru. Galaxie s plně vyvinutou strukturou jsou staré 8 až 12 miliard let. Mladší galaxie jsou shluky hmoty bez jasné struktury. Paprsky nejstaršího světla ve vesmíru se k nám dostávají teprve nyní, 13 miliard 800 milionů let poté, co poprvé zazářily. Reliktní záření z doby nedlouho po Velkém třesku, takzvané reliktní záření kosmického pozadí, je to nejvzdálenější, co dokážeme pozorovat.

Tady však náš výhled do vesmíru náhle končí. Kolik toho z vesmíru dokážeme vidět, není omezeno pouze velikostí či výkonností našich přístrojů, ale samotnou bariérou rychlosti světla. Jak to, že nám to nejrychlejší, co ve vesmíru existuje, neumožňuje nahlédnout do nekonečnosti prostoru? Je důležité pochopit, že rychlost světla je neotřesitelná konstanta. Rychlost světla je tak konstantní, že všechno ve vesmíru se přizpůsobuje, jen aby se rychlost světla nezměnila. Ta je tedy skutečně základním měřítkem celého vesmíru. Díky konstantní rychlosti světla získáváme pozoruhodnou pomůcku pro měření vzdáleností ve vesmíru – takzvaný rudý posuv. Světlo mezi galaxiemi putuje svou pevně danou rychlostí. Jak se však prostor mezi galaxiemi rozpíná, světlo letící mezi nimi se rovněž natahuje a získává červenou barvu. Jinými slovy: Krátkovlnné záření modré barvy se postupně mění v dlouhovlnné záření a zabarvuje se do červena. To je podstata rudého posuvu, který pozorujeme ve spektru galaxií.

Rudý posuv a světelný horizont

A jak může rudý posuv pomoci při měření vzdáleností? K tomuto úžasnému objevu došlo v roce 1926 na observatoři Mount Wilson u Los Angeles. Právě tady americký astronom Edwin Hubble objevil, že se vesmír rozpíná. Bylo to překvapivý objev, který všechno změnil. Na základě rudých posuvů Hubble zjistil, že se všechny galaxie od sebe vzdalují. To je – jak nyní víme – způsobeno rozpínáním vesmíru. Při pohledu ze Země se nezdá, že by se galaxie vzdalovaly, ale víme o tom, protože jejich světlo je posunuté k červené oblasti spektra. Galaxie, která se vzdaluje menší rychlostí, má slabší rudý posuv. Galaxie, která se pohybuje rychleji, má rudý posuv výraznější. Hubble rovněž zjistil, že rychleji se pohybující galaxie patří také mezi ty vzdálenější. To znamená, že čím větší je rudý posuv ve spektru galaxie, tím je galaxie vzdálenější. Na základě výpočtu rychlosti, jakou se vesmír rozpíná, dokázali vědci odhadnout stáří vesmíru.

Předpokládá se, že vesmír vznikl před nejméně 13,5 miliardami let. Na to, aby světlo mohlo urazit delší vzdálenost, ještě neuplynulo dost času. Říká se tomu světelný horizont. Světelný horizont je kulová plocha, která má od nás všemi směry vzdálenost 13,5 miliardy světelných let. To je náš pozorovatelný vesmír. Nabízí se otázka: Je tohle konec vesmíru? Nemáme důvod domnívat se, že to, co vidíme, je veškerý vesmír. Je pravděpodobné, že je mnohem větší. Nedohlédneme však dál, než odkud k nám doletí světlo. Představme si astronomy v galaxii na okraji našeho horizontu. Nemohou vidět žádné galaxie na druhém konci NAŠEHO horizontu, ale mohou vidět galaxie vzdálené 13,5 miliardy let na druhém konci SVÉHO horizontu. A tak dál, možná až do nekonečna.

Rychlost světla svazuje astronomům ruce. Ale i uvnitř našeho pozorovatelného vesmíru je toho k vidění dost. Když se podíváme na dvě různá místa vesmíru, měli bychom vidět dvě zcela odlišné koncentrace hmoty, odlišné teploty, ale není tomu tak. Vše je až extrémně jednotvárné. Je to záhada. Ta záhada se vztahuje až k samotnému vzniku vesmíru. Jestliže se všechno při Velkém třesku rozlétlo do stran z jediného místa, tak proč by to mělo být stejnorodé? Žádný druh exploze, jaký známe, nevede k podobné jednotnosti.

Teorie inflace

Tento problém lze vyřešit teorií inflace, která upravuje teorii Velkého třesku. Inflace je dnes obecně přijímanou teorií, která vysvětluje Velký třesk bez omezení, způsobeného rychlostí světla. Pokud je tato teorie správná, pak celý dnes viditelný vesmír pochází z původně malé oblasti, která byla kauzálně spojená. Následně došlo k fázi, kdy se prostor začal exponenciálně rozpínat. Období Velkého třesku je ve skutečnosti obdobím inflace. I dnes se vesmír stále rozpíná obrovskou rychlostí. Galaxie se od sebe vzdalují tempem, které zřejmě překonává rychlost světla. Rozpínání vesmíru nadsvětelnou rychlostí stanoví další limit toho, co můžeme ze Země pozorovat. Galaxie se od nás vzdalují tak rychle, že nám jednoho dne zmizí z očí docela. Galaxie, které jsou relativně blízko nás, tedy ty, které můžeme vidět, se pohybují obrovskou rychlostí. A čím jsou dále, tím rychleji se pohybují. A pak existují galaxie, které nikdy neuvidíme, protože jsou tak daleko, že světlo z nich k nám nikdy nedoletí, neboť vesmír se rozpíná větší rychlostí, než je rychlost světla. Vesmír je výjimkou, která potvrzuje pravidlo. On sám se může rozpínat větší rychlostí, než je rychlost světla, ale všechno uvnitř zůstává podřízeno Einsteinově teorii relativity.

Einsteinův svět

Podle Einsteinovy speciální teorie relativity nelze překonat rychlost světla. Fyzici dokáží urychlit částice až na 99,9 procenta rychlosti světla, ale samotné rychlosti světla ještě nikdy nedosáhli. Jestli se tedy prostor ohýbá a roztahuje zhruba rychlostí světla, co se stane, když se přiblížíme této rychlosti? Většině z nás připadá světlo jednoduché a nekomplikované. Je to přírodní jev, který nám umožňuje vidět svět. Když jej však vědci začali zkoumat, zjistili, že je to jev naopak velmi zvláštní až bizarní. Světlo je běžnou součástí našeho všedního života, a přesto je málo chápeme.

Každý paprsek světla ve vesmíru putuje vzduchoprázdnem stejnou rychlostí bez ohledu na rychlost pohybu hvězdy či galaxie, která jej vyzařuje. Vědci tuto skutečnost objevili koncem 19. století. Albert Einstein potom provedl matematické výpočty a zformuloval speciální teorii relativity, v níž byla rychlost světla klíčovým prvkem. Poznání rychlosti světla nám umožnilo nahlédnout do povahy prostoru a času, jak je chápeme dnes. Nežijeme v rigidním světě, kde je vše přesně odměřeno pravítkem a kde hodiny tikají v přesných intervalech. Žijeme ve flexibilním světě, v Einsteinově světě, v relativistickém prostoru a času. V našem běžném životě nám vesmír nepřipadá příliš pružný, protože v porovnání s rychlostí světla se pohybujeme velice pomalu. Kdybychom však dokázali zrychlit, věci by se začaly měnit.

Když se rychlost našeho pohybu přiblíží rychlosti světla, dochází k nejrůznějším podivným a podivuhodným deformacím. Prostor se deformuje tak, aby rychlost světla byla vždy konstantní. Jak se stále více a více přibližujeme rychlosti světla, stojícímu pozorovateli připadá, že se náš čas zpomalil. Skvělým příkladem Einsteinovy speciální teorie relativity a toho, že hodiny, které se vzhledem k nám pohybují, jdou pomaleji než hodinky na naší ruce, je systém GPS. Globální navigační systém, který přesně určí naši polohu na Zemi, je založen na 24 satelitech, které obíhají Zemi ve výšce zhruba 20 000 kilometrů. Přístroj v našem autě přijímá signály z nejméně tří družic a porovnává si jejich časy, aby vypočítal naši přesnou polohu na Zemi. Celý systém závisí na superpřesných hodinách. Když vědci pracovali na vytvoření tohoto systému, věděli, že satelity budou obíhat Zemi rychlostí přes 11 000 km/hod. To je dostatečná rychlost, aby se jejich hodiny zpomalily o malý zlomek sekundy. Vědci započítali do systému všechny relativistické časové rozdíly. Výsledkem je ohromující přesnost. Kdyby nevzali v úvahu, že hodiny umístěné v satelitech běží jinou rychlostí než hodiny dole na Zemi, neurčili bychom svou polohu správně.

Deformace času a prostoru

Deformace času je jedním z mnoha zvláštních důsledků cestování rychlostí světla. Tomuto jevu se říká kontrakce délky. Tu spolu s dilatací času může vidět pozorovatel ve stavu klidu hledící na někoho, kdo se pohybuje téměř rychlostí světla. Pro toho se všechno zhroutí do jakéhosi tunelovitého tvaru. I barvy jsou všelijak rozmazány a změněny. Změna barev je způsobena Dopplerovým efektem. Deformace tvaru vychází z jevu známého jako aberace. Toto zkreslení tvarů a barev je podobné tomu, co vidíme, když jedeme za silného deště. Kdybychom stáli a podívali se z bočního okna, viděli bychom, jak déšť padá rovně dolů. Pokud se však dáme do pohybu, zdá se nám, že déšť padá šikmo proti nám. To je základem deformujícího efektu, který můžeme sledovat u předmětů před sebou, když se směrem k nim pohybujeme téměř rychlostí světla.

Ve skutečnosti ani nemusíme cestovat téměř rychlostí světla, abychom viděli pohybem způsobené deformace času a prostoru. Různé deformace, které jsou důsledkem konečné rychlosti světla, jsou na denním pořádku. Obvykle jsou však tak nepatrné, že je nemůžeme postřehnout. Přesto se i v našem pomalém světě deformace projevuje jevy, které postřehnout dokážeme. Rychlost světla je sice konstantní, ale pouze ve vakuu. Když světlo prochází například sklem nebo tekutinou, rapidně se zpomalí. Kdyby ne, nefungovaly by dalekohledy, ani lidský zrak. Ve vesmíru, kde by se světlo pohybovalo stejnou rychlostí všemi materiály, bychom o světě okolo sebe věděli velice málo. Viděli bychom jen neurčité shluky tmy a světla. To proto, že náš zrak závisí na biologických čočkách, které pomáhají zaměřit obraz na sítnici. Stejně jako čočky ze skla, i oči fungují díky tomu, že zpomalují světlo. Světlo je pohlceno atomy skla, které je o něco později vyzáří dále. Dochází zde tedy k určitému zpoždění. Světlo narazí na atom, ten se rozvibruje, a teprve potom pošle kvantum světla dál. Tento zpomalující faktor rovněž způsobuje, že se světlo ohne, když dopadne na sklo ve tvaru čočky. Světlo ohnuté správným způsobem se pak dá soustředit do jednoho bodu a znásobit. Je to velice důležité pro astronomy. Světlo prochází skleněnou čočkou dalekohledu rychlostí zhruba 200 000 km/sec, což jsou asi dvě třetiny rychlosti světla ve vakuu. Vědci hledají možnosti využití světla při mnohem nižších rychlostech.

 
Nadsvětelná rychlost

Rychlost světla doposud představuje nepřekonatelnou hradbu. Podle Einsteina je tato rychlost nepřekročitelná. Historie je přesto plná nemožností, které se staly skutečností. Budeme třeba jednou cestovat ke hvězdám v kosmických lodích rychlejších než světlo? A pokud ano, kdy? V dubnu 2008 světově proslulý fyzik Steven Hawking vyzval lidstvo, aby kolonizovalo vesmír a stanovilo si za svůj dlouhodobý cíl mezihvězdné cestování. Expanze do vesmíru naprosto změní budoucnost lidského rodu a možná dá odpověď na otázku, zda je před námi vůbec nějaká budoucnost. Hvězdy jsou tak daleko, že cesty k nim jsou prakticky nemožné, pokud nepoletíme rychlostí světla. Einsteinova teorie relativity tvrdí, že pokud se rychlost vesmírné lodi začne blížit rychlosti světla, její hmotnost se přiblíží nekonečnu. Čím rychleji se snažíte letět, tím více energie potřebujete. K dosažení rychlosti světla pak potřebujete nekonečné množství energie. To je nemožné. Znamená to, že cestovat rychlostí světla je nemožné?

Marc Millis je jedním z mála vědců, kteří se rozhodli toto téma probádat. Zabývá se fyzikou kosmických pohonů a ve volném čase rád staví modely vesmírných lodí. Je si dobře vědom, že mimo oblast science fiction jsou lety ke hvězdám spíše představou budící úsměv. Úsměv je však zdravou reakcí. Vnáší do věci trochu potřebného skepticismu, pochybností, které nám mohou pomoci jít správným směrem. Millis stál v čele dnes už odloženého programu NASA, zaměřeného na hledání průlomového pohonu vesmírných lodí. Se spolupracovníky o něm vydal knihu. Cestování rychlostí světla se věnovaly asi tři desítky vědců. Někteří jsou skeptičtí, jiní však přicházejí s novými návrhy.

Všichni fyzici se shodují, že je nemožné cestovat vyšší rychlostí, než je rychlost světla. Mohl by však existovat způsob, jak tuto nemožnost obejít tím, že prostor změníme, místo abychom jím cestovali. Vědci NASA zkoumají dokonce i tu možnost, že bychom zakřivili prostor a prorazili v něm díru, a tak vytvořili jakousi zkratku prostorem a časem. Tato myšlenka souvisí s nápadem využít tzv. červích děr, hypotetických objektů ve vesmíru, které díky zakřivení časoprostoru kolem sebe mohou sloužit jako vesmírná zkratka. Přístroj na vytvoření červí díry by musel být hodně velký, s prvky rozmístěnými na obrovském počtu planetek, uspořádaných do obrovité koule. Abychom otevřeli průchod do jiného vesmíru, potřebovali bychom obrovskou sestavu laserových paprsků, abychom soustředili obrovské množství energie do jednoho bodu. Museli bychom dosáhnout vytvoření neskutečně vysokých teplot, prostě shromáždit nejvyšší možné množství energie.

Jinou možností, jak prostor ošálit, by bylo využít super rychlý pohon. Jako první popsal warpový pohon Miguel Alcubierre v roce 1994. Vymyslel, jak umožnit vesmírné lodi cestovat nadsvětelnou rychlostí pomocí modifikace časoprostoru. Časoprostor za lodí by byl expandován, před lodí naopak komprimován. V ostrůvku mezi tím by loď klouzala jako surfař na vlně. Seděla by uvnitř jakési bubliny a prostor okolo by ji poháněl rychlostí vyšší než světlo. I kdyby byl warpový pohon vůbec možný, je to pořád záležitost daleké budoucnosti. V CERNu (Evropská laboratoř pro fyziku částic, Ženeva, Švýcarsko) se fyzikům s pomocí velkého urychlovače částic podařilo dosáhnout něčeho podobného už nyní. Při kolizi částic může vzniknout takové množství energie, že uvnitř dojde k deformaci prostoru a času. Vědci se tak vlastně učí v laboratorních podmínkách zakřivit vesmír. Je to první krok k warpovému pohonu.

V dohledné budoucnosti určitě nebudeme schopni cestovat rychleji než světlo. To však neznamená, že se o to nemáme snažit.  Marc Millis založil neziskovou organizaci Tau Zero, která podporuje vážně míněný výzkum možností mezihvězdného cestování. I když se touto myšlenkou zabývá aktivně jen malá skupina vědců, mnozí souhlasí, že má svůj význam. I kdybychom totiž nikdy nenašli způsob, jak překročit rychlost světla, mohli bychom po cestě objevit celou řadu jiných užitečných věcí.

17.02.2017, 00:45:18   Publikoval Axinakomentářů: 6