Záhady času a prostoru - Einsteinova fyzikální revoluce

Záhady času a prostoru - Einsteinova fyzikální revoluce
Sdílej
 

Vydejte se rychlostí blízkou rychlosti světla ke hvězdám. Cestou zestárnete o pár let, zatímco na Zemi uplynou staletí. Možná narazíte na oblasti, v nichž čas a prostor přestávají existovat. Takových vychytávek nám Einstein přichystal spoustu...

Před sto lety nastal konec světa. Alespoň takového světa, na který byli lidé zvyklí od dob Isaaca Newtona. Světa řídícího se jednoduchými zákony, které velí Zemi, aby spořádaně obíhala kolem Slunce, a jablkům, aby padala pod strom a neodlétala do nebes. Staré pořádky vzaly za své roku 1905, kdy Albert Einstein publikoval svou speciální teorii relativity. O další poprask se postaral o deset let později obecnou teorií relativity. Lidstvo se muselo smířit s tím, že čas a prostor nejsou takové, jaké se nám jeví.

Konec jistot

Čas neplyne každému stejně rychle, vzdálenost mezi dvěma místy se různým pozorovatelům jeví jinak velká. Ptáte se, co je na tomto tvrzení tak objevného? Známe to přece všichni z každodenní zkušenosti. Mně třeba teď čas běží jako splašená kobyla - uzávěrka se blíží a článek stále není hotov. Zato u zubaře se čas tak nepříjemně vleče... Se vzdáleností je to podobné. Kupte si jednosměrnou letenku do libovolného evropského města a zpátky se vydejte pěšky, chcete-li opravdu důkladně pochopit, co tím myslím.
Jenomže Einstein měl na mysli něco jiného. Nezabýval se pocity, které z času a prostoru máme, ale skutečnými rozdíly, které se objeví, kdykoli se dva pozorovatelé vůči sobě pohybují. Rovnoměrným přímočarým pohybem v případě speciální teorie relativity, složitějšími druhy pohybu v případě obecné teorie.

Zpomalený čas


Světlo, jak ukázal Einstein, můžeme chápat jako proud miniaturních částic - fotonů. Nyní jeden foton zaměstnáme a postavíme s jeho pomocí nejjednodušší hodiny na světě. Tvoří je dvojice zrcadel, mezi nimiž náš foton donekonečna kmitá. A počtem kmitů můžeme měřit čas. Nyní hodiny uvedeme do pohybu. Pozorovatel, který se pohybuje spolu s nimi, si žádného pohybu není vědom. Z jeho pohledu jsou hodiny v klidu a čas podle nich plyne stále stejně rychle. Ale
Foto
pozorovatel zvenčí vidí, že foton nyní musí urazit mnohem delší vzdálenost. A protože počet kmitů je mírou času, znamená to, že pohybující se hodiny jdou při pohledu zvenčí pomaleji! Tím pomaleji, čím rychleji se vůči pozorovateli pohybují. Rozumějte dobře: není to chyba hodin, nezpomalují se proti skutečnému času. Zpomaluje se sám čas.

Rychlost zkracuje


Podobným způsobem jako zpomalení času bychom mohli vysvětlit další podivnost: zkracování objektů, které se vůči nám pohybují. Stejně jako zpomalování času se znatelně projeví až při rychlosti blízké rychlosti světla. K podivuhodným změnám času a prostoru dochází i při běžných rychlostech, ale změny jsou tak malinké, že je naše smysly, a dokonce ani naše nejcitlivější přístroje nezaznamenají. U pětimetrového auta jedoucího rychlostí 180 km/h se čas zpomalí o 0,000 000 000 000 84 sekundy za minutu a délka auta je při takové rychlosti menší o 0,000 000 000 000 071 metru.

NEPOCHOPITELNÁ TEORIE?


O Einsteinově teorii se traduje, že jí rozumí jen dvanáct lidí na světě. Tento nesmysl si v roce 1919 vymyslel Henry Crouch, kterého redakce New York Times pověřila napsáním článku o experimentálním potvrzení teorie relativity. Pro Crouche to byl tvrdý oříšek, protože jinak psal výlučně o golfu. O fyzice nevěděl zhola nic a podle toho to dopadlo. Jím stvořená pověra se mezi lidmi drží dodnes. Pochopit relativitu včetně jejího matematického zdůvodnění přitom dokáže každý fyzik, pro kterého je řeč matematiky stejně přirozená jako rodný jazyk. A důsledky teorie pochopí i bez matematiky každý, kdo není líný přemýšlet.

Stroj času


Pokud se při vysoké rychlosti zpomaluje čas, nedalo by se to využít k cestování časem? Dalo. Tedy za předpokladu, že bychom dokázali vyrobit dopravní prostředek pohybující se rychlostí blízkou rychlosti světla. A to zatím nedovedeme ani
Foto
náhodou. (Raketoplán nedosahuje ani 0,003 % světelné rychlosti, což na výraznější efekt zdaleka nestačí.) Cestovat by se dalo pouze do cizí budoucnosti. Kdybyste teď vyrazili vysokou rychlostí do vesmíru a vrátili se za pár měsíců, zastihli byste své kamarády (pokud vůbec) jako stařečky nad hrobem. Vy byste přitom zestárli právě jen o těch několik měsíců. Všimněte si: cestu časem lze vykonat cestováním v prostoru! Však také fyzikové považují čas za čtvrtý rozměr vesmíru (hned po délce, šířce a hloubce) a používají termín časoprostor. Stačí se pohybovat co nejrychleji, abyste si prodloužili mládí? Kdepak! Z pohledu zvenčí se váš čas sice zpomalí, ale z vašeho pohledu bude plynout jako dřív. Okolí uvidí, jak pomaleji chodíte, čtete, myslíte..., aniž si toho budete vědomi.

Záhada gravitace


Od Newtonových dob fyzikové předpokládali, že gravitace působí na jakoukoli vzdálenost okamžitě. Jenomže podle Einsteina se nic nemůže šířit rychleji než světlo. Ani gravitace. Co s tím? Einstein přišel na to, že gravitace úzce souvisí se zrychlením. V uzavřeném
systému nejsme schopni jedno od druhého rozlišit. K pochopení gravitace mu potom stačilo vyjít ze své speciální teorie relativity a podívat se, co s prostorem provede zrychlený pohyb - konkrétně pohyb rotační. Zrodila se obecná teorie relativity.

Podivný kolotoč


Představte si, že sedíte na kolotoči rotujícím rychlostí blízkou rychlosti světla. Jaký obvod a jaký průměr byste naměřili? Obvod se měří ve směru kruhového pohybu, při měření se proto projeví relativistické zkrácení pravítka, kterým měříte. Takže byste je k obvodu kolotoče museli přiložit víckrát, než byste čekali. Průměr kolotoče se nezměnil, protože ten se měří kolmo na otáčení a zkrácení se u něj neprojeví. Prastará geometrická pravda říká, že poměr obvodu a průměru je pro všechny kružnice stejný. Vyjadřuje jej slavné číslo = 3,14159 a nějaké drobné. A najednou vychází poměr větší? Co se to tady děje za nepřístojnosti? Vysvětlení naznačují kružnice namalované na různých plochách. Na rovném papíru je poměr obvodu a průměru roven přesně, u kružnice na míči je poměr menší, u kružnice v sedle větší.

Zakřivení prostoru


Einstein si uvědomil ohromující skutečnost: tak jako můžeme dvourozměrné kružnice zakreslit do zakřivené plochy, mohou prostor kolem sebe deformovat i trojrozměrné objekty. V blízkosti hmotných objektů se zakřivuje i čas. Ale to už je vyšší dívčí a na její grafické znázornění dvourozměrný papír nestačí. O zakřivení prostoru si můžeme udělat jakous takous představu z obrázků těžké koule položené na pružné membráně. Pod "těžkou koulí" si představte naše Slunce nebo jinou hvězdu, protože v jejich okolí je zakřivení prostoru výrazné, ale dochází k němu v okolí všech objektů, na které ve vesmíru narazíte. Kolem hvězd, planet, vás, vašeho psa, propisovačky... Podle Einsteina hmotné objekty nepůsobí pouze jeden na druhého, ale i na sám prostor. Podívejte se na obrázek těžké koule prohýbající membránu. Bude-li se v její blízkosti kutálet malá hliněná kulička, zakřivení membrány způsobí, že kulička sklouzne do prohlubně. Vypadá to, jako by si ji velká koule přitáhla. V prostoru dochází k něčemu podobnému. Čím je objekt hmotnější, tím více zakřivuje prostor kolem sebe a tím spíše nutí okolní objekty, aby "klouzaly" do jeho blízkosti. Přesně takto Slunce přitahuje všechny své planety včetně Země. Gravitace je tedy přímým důsledkem zakřivení prostoru.



SVĚTLU NEUTEČEŠ


Už před Einsteinem bylo známo, že světlo se pohybuje neměnnou rychlostí, která se jeví stejná všem pozorovatelům bez ohledu na to, jakým směrem a jakou rychlostí se vůči zdroji světla pohybují. To je hodně zvláštní vlastnost. Když na vás v horách vybafne medvěd, můžete mu utéct, pokud poběžíte rychleji než on. Ale světlu neutečete. Ať poběžíte seberychleji, stále se k vám bude blížit svou obvyklou rychlostí 300 000 km/s. Rychlost světla navíc představuje absolutní rychlostní limit pro celý vesmír. Nic se nemůže pohybovat rychleji. Einstein jako první domyslel všechny důsledky této skutečnosti.

ROZPÍNÁNÍ VESMÍRU


Z Einsteinových rovnic vyplývalo, že vesmír nemůže být nehybný. Musí se buď rozpínat, nebo smršťovat. Dnes to považujeme za samozřejmost, v roce 1915 to ale bylo silné kafe i na Einsteina, který se jen tak nějakého překvapení nezalekl. Raději do svých rovnic vnesl tzv. kosmologickou konstantu, aby se rozpínání zbavil. O několik let později však astronom Edwin Hubble prokázal, že se vesmír skutečně rozpíná. Einstein kosmologickou konstantu později označil za největší omyl svého života. Koncem 90. let minulého století však další měření naznačila, že konstanta přece jenom není nulová. Rozpínání vesmíru nebrání, ale Einsteina by jistě potěšila.

ČERNÉ DÍRY

Pokud je nahromaděné hmoty příliš mnoho, zakřiví prostor i čas nekonečně. Vznikne černá díra, v níž se časoprostor uzavírá zcela do sebe. Úniková rychlost ze spárů gravitace překračuje rychlost světla, a protože nic se nemůže pohybovat rychleji než světlo, nelze z moci černé díry uniknout.

 

Hry