Prečo nadsvetelná rýchlosť nie je možná

Preklad článku BBC The Real Reasons Nothing Can Ever Go Faster Than Light.

Hovorí sa, že nič sa nepohybuje rýchlejšie ako svetlo. Takto sme zistili, že je to pravda.

V septembri 2011 fyzik Antonio Ereditato šokoval svet. Jeho vyhlásenie prisľubovalo prevrátiť naruby naše chápanie vesmíru. Ak by boli dáta, ktoré zhromaždilo 160 vedcov pracujúcich pre projekt OPERA, pravdivé, znamenalo by to, že sa nám podarilo spozorovať čosi nemysliteľné. Častice – konkrétne neutrína – sa pohybovali rýchlejšie než svetlo.

Podľa Einsteinových teórií relativity by to nemalo byť možné. Dôsledky toho, že by sa to skutočne stalo, by boli veľmi široké: bolo by potrebné prehodnotiť mnohé oblasti fyziky.

Hoci Ereditato povedal, že majú s tímom „vysokú dôveru“ vo svoje výsledky, netvrdil, že výsledky sú úplne presné. V podstate žiadali ďalších vedcov, aby im pomohli pochopiť, čo sa stalo.

Nakoniec vyšlo najavo, že projekt OPERA sa zmýlil. Nesprávne zapojený kábel, ktorého úlohou bolo prenášať presné signály z GPS satelitov, spôsobil problém s načasovaním.

Došlo teda k nečakanému oneskoreniu signálu, v dôsledku čoho sa merania toho, ako dlho neutrínam trvalo prejsť požadovanú vzdialenosť, posunuli o 73 nanosekúnd. Preto sa zdalo, akoby sa pohybovali omnoho rýchlejšie.

Napriek tomu, že experimentu predchádzali mesiace dôkladných kontrol a nasledovali po ňom dvojité kontroly dát, vedci sa skrátka pomýlili. Ereditato sa vzdal svojej pozície, hoci mnohí sa vyjadrovali, že takéto chyby sa stávajú neustále, najmä v oblasti takých komplexných mechanizmov ako časticové urýchľovače.

Prečo však bol taký veľký problém tvrdiť – hoci len vo forme dohadu –, že niečo by sa mohlo pohybovať rýchlejšie ako svetlo? A sme si naozaj istí, že nič to nedokáže?

Nemôžeme sa pohybovať rýchlejšie ako svetlo

Sústreďme sa najprv na druhú z týchto otázok. Rýchlosť svetla vo vákuu je 299 792,458 kilometrov za sekundu – len zlomok od okrúhleho čísla 300 000 km/s. Slnko je vzdialené od Zeme 150 miliónov kilometrov a svetlu trvá iba osem minút a 20 sekúnd, kým túto vzdialenosť prekoná.

Dokáže niektorý z ľudských výtvorov vôbec súperiť so svetlom? Je tu jeden z najrýchlejších objektov, ktoré vyrobil človek – planetárna sonda New Horizons obišla v júli 2015 Pluto a Cháron. Vzhľadom na Zem dosiahla rýchlosť viac ako 16 km/s, čo je o dosť menej než 300 000.

Na druhej strane, vytvorili sme miniatúrne častice, ktoré sa pohybujú omnoho rýchlejšie. V 60. rokoch 20. storočia vykonal William Bertozzi na Inštitúte technológie v Massachusetts experiment akcelerácie elektrónov čoraz väčšími rýchlosťami.

Keďže elektróny majú záporný náboj, je možné poháňať ich – či skôr odpudzovať – tým, že rovnaký záporný náboj sa aplikuje na určitú hmotu. Čím viac energie sa pridá, tým rýchlejšie budú elektróny akcelerovať.

Možno to vyzerá tak, že postačí zvýšiť energiu a poľahky dosiahneme rýchlosť 300 000 km/s, ale pravda je taká, že jednoducho nie je možné, aby sa elektróny pohybovali tak rýchlo. Bertozziho experimenty ukázali, že zvyšovanie energie nespôsobuje priamoúmerne zvýšenie rýchlosti elektrónov.

Namiesto toho musel používať čoraz viac pridanej energie a spôsoboval tým čoraz menšie rozdiely v rýchlostiach pohybu elektrónov. Dostávali sa čoraz bližšie k rýchlosti svetla, ale nikdy ju nedosiahli.

Stačí predstaviť si pohyb smerom k dverám v sérii niekoľkých pohybov, pričom počas každého prejdete presne polovicu vzdialenosti medzi súčasnou pozíciou a dvermi. Presne povedané, nikdy dvere nedosiahnete, pretože po každom pohybe ostane ešte určitá vzdialenosť pred vami. Na tento problém narazil aj Bertozzi.

Svetlo však tvoria častice zvané fotóny. Prečo sa práve tieto častice dokážu pohybovať rýchlosťou svetla, hoci elektróny nie?

Sonda New Horizons navštívila v roku 2015 Pluto

„Ako sa objekty pohybujú rýchlejšie a rýchlejšie, stávajú sa čoraz ťažšími – čím ťažšie sú, tým náročnejšie je dosiahnuť akceleráciu, takže nikdy nedosiahnete rýchlosť svetla,“ hovorí Roger Rassool, fyzik na austrálskej univerzite v Melbourne.

„Fotón v skutočnosti nie je hmotný,“ vraví. „Ak by bol, nedokázal by sa hýbať rýchlosťou svetla.“

Fotóny sú výnimočné: nielenže nie sú hmotné, čo im umožňuje voľne si „svišťať“ vesmírom, ale nedokážu sa ani zrýchľovať. Ich prirodzená energia im umožňuje hýbať sa vo vlnách a teda od momentu svojho vzniku dosahujú tú najvyššiu možnú rýchlosť.

V určitom zmysle slova môžeme chápať svetlo skôr ako energiu než ako tok častíc, hoci v skutočnosti je obomi, aj keď je to trochu mätúce.

No i tak sa občas zdá, že svetlo sa hýbe pomalšie, než by sme očakávali. Hoci internetoví technici radi hovoria o tom, že komunikácia prebieha „rýchlosťou svetla“ vďaka optickým vláknam, svetlo sa v skutočnosti pohybuje zhruba o 40 % pomalšie napríklad cez sklo než vo vákuu.

Fotóny sa síce stále hýbu rýchlosťou 300 000 km/s, ale križujú sa s ďalšími fotónmi, ktoré vychádzajú z atómov skla. Ťažko sa to predstavuje, ale stojí to za zmienku.

Špeciálne experimenty s jednotlivými fotónmi ukázali, že je možné spomaliť ich tým, že sa zmení ich tvar.

Optické vlákna prenášajú informácie

Stále však môžeme tvrdiť, že svetlo sa pohybuje rýchlosťou 300 000 km/s. Nepozorovali sme a ani sme nevytvorili nič, čo by sa dokázalo pohybovať rovnako rýchlo či nebodaj rýchlejšie. Jestvuje zopár výnimiek, ktoré sú vymenované nižšie, ale najprv si zodpovedzme prvú z dvojice otázok. Prečo je také dôležité, aby bolo pravidlo rýchlosti svetla také prísne?

Odpoveď súvisí s Albertom Einsteinom, ako to už pri mnohých otázkach vo fyzike býva. Jeho špeciálna teória relativity skúma mnohé dôsledky rýchlostných limitov vo vesmíre.

Jedným z najdôležitejších prvkov tejto teórie je myšlienka, že rýchlosť svetla je konštantná. Bez ohľadu na to, ako rýchlo sa pohybujete, svetlo sa vždy pohybuje rovnako rýchlo.

Prináša to však niekoľko koncepčných problémov. Predstavte si svetlo, ktoré vychádza z fakle a smeruje na zrkadlo na strope nehybnej kozmickej lode. Svetlo bude žiariť nahor, odrazí sa od zrkadla a zasiahne podlahu lode. Povedzme, že prešlo vzdialenosť 10 metrov.

Teraz si predstavme, že kozmická loď sa začne pohybovať rýchlosťou niekoľkých tisícov kilometrov za sekundu. Keď sa znovu rozžiari fakľa, svetlo sa bude zdanlivo správať rovnako: bude žiariť nahor, zasiahne zrkadlo a odrazí sa na zem. Aby k tomu však došlo, svetlo sa bude musieť hýbať diagonálne, nie vertikálne, keďže zrkadlo sa teraz pohybuje zarovno s kozmickou loďou.

Vzdialenosť, ktorú svetlo prejde, sa teda zväčšuje. Predstavme si, že sa zväčšila o 5 metrov, čiže narástla z 10 metrov na 15.

Ale napriek tomu, že vzdialenosť sa zväčšila, Einsteinove teórie trvajú na tom, že svetlo sa stále pohybuje rovnakou rýchlosťou. Keďže rýchlosť je vlastne vzdialenosť delená časom, na to, aby rýchlosť ostala rovnaká, hoci vzdialenosť sa dvojnásobne zväčšila, by bolo potrebné, aby sa zväčšil aj čas.

Áno, presne tak: samotný čas sa musí natiahnuť. Znie to šialene, ale experimenty to potvrdzujú.

Čas sa môže zrýchliť alebo spomaliť

Tento fenomén sa nazýva dilatácia času. Znamená, že čas sa hýbe pomalšie z pohľadu ľudí, ktorí sa nachádzajú v rýchlo sa pohybujúcich vozidlách, v porovnaní s ľuďmi, ktorí stoja na mieste.

Napríklad: čas plynie o 0,007 sekundy pomalšie z pohľadu astronautov na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS).

Tento fakt je významný pri časticiach (ako trebárs vyššie spomínané elektróny), ktoré sa dokážu hýbať takmer rýchlosťou svetla. Pri takýchto časticiach môže vzniknúť obrovská dilatácia času.

Steven Kolthammer, experimentálny fyzik z Oxfordskej univerzity v Spojenom kráľovstve, poukazuje na príklad zahŕňajúci častice zvané mióny.

Mióny sú nestabilné: rýchlo sa rozpadajú na jednoduchšie častice. Tak rýchlo, že väčšina miónov vychádzajúcich zo Slnka by sa mala stratiť, než vôbec dosiahnu Zem. V skutočnosti však mióny prichádzajú na Zem vo veľkých množstvách – a tento jav vedci dlho nevedeli pochopiť.

„Odpoveď na túto záhadu je v tom, že mióny vznikajú s takou obrovskou energiou, že sa pohybujú rýchlosťami veľmi blízkymi rýchlosti svetla,“ hovorí Kolthammer. „To znamená, že ich čas – ich „vnútorné hodinky“ – je pomalší.“

Mióny teda „prežívajú“ dlhšie, než sme predpokladali, vďaka reálnemu ohýbaniu času.

Svetlo prichádza zo Slnka na Zem

Keď sa objekty pohybujú rýchlo vzhľadom na iné objekty, ich dĺžka sa zmenšuje. Tieto dôsledky – dilatácia času a kontrakcia dĺžok – sú príkladom toho, ako sa časopriestor mení na základe pohybu objektov, ktoré sú hmotné.

Čo je podľa Einsteina najpodstatnejšie, svetlo takto ovplyvňované nie je – pretože nie je hmotné. Práve preto je také dôležité, aby všetky tieto princípy „šli ruka v ruke“. Ak by sa objekty mohli pohybovať rýchlejšie než svetlo, vzpriečili by sa základným zákonom, ktoré popisujú fungovanie vesmíru.

Tak znejú kľúčové princípy. Teraz si môžeme spomenúť niekoľko výnimiek či odchýlok.

Po prvé, hoci sme zatiaľ nepozorovali nič, čo by sa hýbalo rýchlejšie ako svetlo, nie je teoreticky nemožné prekročiť tento limit za určitých veľmi špecifických podmienok. Vezmime si napríklad expanziu vesmíru. Nachádzajú sa v ňom galaxie, ktoré sa od seba vzďaľujú rýchlosťou väčšou ako rýchlosť svetla.

Ďalším zaujímavým príkladom sú častice, ktoré vykazujú rovnaké vlastnosti bez ohľadu na to, ako veľmi sú vzdialené. Nazýva sa to „kvantové previazanie“. Fotón sa v podstate zmieta medzi dvomi možnými stavmi – takéto zmietanie však presne zrkadlí zmietanie iného fotónu na inom mieste, ak sú tieto fotóny previazané.

Dvaja vedci, ktorí skúmajú „svoj vlastný“ fotón, teda dostanú rovnaké výsledky v rovnakom čase – rýchlejšie, než je rýchlosť svetla.

V oboch týchto príkladoch je však kľúčové poznamenať, že medzi dvomi telesami nemôže dôjsť k presunu informácie rýchlosťou väčšou, ako je rýchlosť svetla. Dokážeme vypočítať expanziu vesmíru, ale nevieme pozorovať žiadne objekty rýchlejšie než svetlo: stratili sa nám z dohľadu.

Galaxie sa od nás vzďaľujú

Hoci by dvojica vedcov dospela k rovnakým výsledkom v rovnakom čase, nemohla by si tieto výsledky potvrdiť rýchlejšie, než prejde svetlo od jedného k druhému.

„Vďaka tomu miznú všetky naše dilemy, pretože ak je možné poslať signály rýchlejšie než svetlo, môžeme spôsobiť bizarné paradoxy – informácie by napríklad mohli cestovať v čase,“ vraví Kolthammer.

Existuje ešte ďalší spôsob, ako by bola nadsvetelná rýchlosť možná: trhliny v samotnom časopriestore, ktoré umožňujú cestovateľovi vymaniť sa z pravidiel bežného pohybu.

Gerald Cleaver z Baylorskej univerzity v Texase zvažoval možnosť, že jedného dňa by sme mohli postaviť kozmickú loď rýchlejšiu než svetlo. Jeden zo spôsobov, ako to dokázať, je cestovať červou dierou. Červie diery sú akési slučky v časopriestore, ktoré sú v úplnom súlade s Einsteinovými teóriami – umožnili by astronautovi preskočiť z jednej časti vesmíru do inej prostredníctvom anomálie v časopriestore, čiže akejsi kozmickej skratky.

Objekt cestujúci cez červiu dieru by nepresiahol rýchlosť svetla, ale teoreticky by mohol dosiahnuť určitý cieľ rýchlejšie ako svetlo, pokiaľ by šlo „normálnou“ cestou.

Keby jestvovali červie diery, zišli by sa nám

Cleaver sa zaoberal myšlienkou známou ako „Alcubierrov pohon“, ktorú navrhol teoretický fyzik Miguel Alcubierre v roku 1994. V podstate opisuje situáciu, v ktorej sa časopriestor stlačí priamo pred kozmickou loďou a tiahne ju vpred, pričom časopriestor za loďou sa zväčšuje a vytvára tak efekt tlaku.

„Ale v takom prípade je treba vyriešiť, ako to spraviť a koľko energie by si to vyžadovalo,“ pripomína Cleaver.

V roku 2008 spravil so svojím študentom Richardom Obousym výpočty, koľko energie by to vyžadovalo.

„Zistili sme, že v prípade lode veľkej 10 x 10 x 10 metrov (hovoríme o 1000 kubických metroch) by energia, ktorá by umožnila začiatok takéhoto procesu, musela mať hmotu ako celý Jupiter.“

Potom by energia naďalej musela konštantne vznikať, aby sa proces nezastavil. Nik nevie, ako by to bolo možné alebo akú technológiu by si to vyžadovalo.

Nadsvetelná rýchlosť teda ostáva nateraz fantáziou. Doposiaľ sme však vnímali celú situáciu v medziach viditeľného svetla.

Viditeľné svetlo tvorí len časť elektromagnetického spektra

Počnúc rádiovými vlnami, pokračujúc mikrovlnami, viditeľným svetlom, ultrafialovým žiarením, röntgenovým žiarením a končiac gama lúčmi, všetky tieto svetlá sú tvorené tým istým: fotónmi.

Rozdielom je energia a teda ich vlnová dĺžka. Tieto žiarenia vytvárajú všetky spolu elektromagnetické spektrum. Fakt, že napríklad rádiové vlny sa pohybujú rýchlosťou svetla, je veľmi užitočný pre rozvoj komunikácií.

Kolthammer postavil v rámci svojho výskumu sústavu obvodov, ktorá využíva fotóny na posielanie signálu z jednej časti obvodu do druhej. Má teda právo vyjadrovať sa k užitočnosti ohromnej rýchlosti svetla.

„To, že sme vôbec vytvorili internetovú infraštruktúru (a ešte predtým rádio) vďaka svetlu, je určite spôsobené tým, že ho dokážeme tak ľahko prenášať,“ poznamenáva.

Dodáva, že svetlo sa správa ako komunikačná sila v rámci vesmíru. Zatiaľ čo elektróny v anténe mobilného telefónu sa trhavo pohybujú, fotóny vyletujú von a spôsobujú ešte ďalší pohyb elektrónov v mobile. Práve tento proces nám umožňuje zrealizovať telefonát.

Pohyby elektrónov v Slnku zároveň chrlia fotóny – ohromnými rýchlosťami –, ktoré, samozrejme, tvoria svetlo, čo zabezpečuje život na Zemi.

Svetlo je vesmírny rozhlas. Jeho rýchlosť – 299 792,458 km/s – ostáva až upokojujúco konštantná. Časopriestor je však poddajný a prispôsobivý a to umožňuje každému zakúšať rovnaké fyzikálne zákony bez ohľadu na pozíciu či pohyb.

Kto by sa však vôbec chcel pohybovať rýchlejšie než svetlo? O to úžasné divadlo, ktoré predvádza, predsa nestojí za to prísť.