Pokud je něco v moderní fyzice svatým grálem, k němuž všichni shlížejí s nevýslovnou úctou, tak je to rychlost světla. Je věčná, nepřekonatelná, absolutní a točí se kolem ní celý vesmír, od gigantických kup galaxií až po hemžení elementárních částic. Z obecná relativity zřetelně vyplývá, že se světlo řítí vakuem rychlostí 299 792 458 metrů za sekundu (1 079 252 848,8 km/h). Přesně tohle je hodnota onoho písmenka c v Einsteinově legendární rovnici, popisující ve speciální teorii relativity vztah mezi energií a hmotností. Význam téhle rovnice lze jen těžko vyjádřit bez emocí. Odvozuje se od ní prakticky všechno, co ve vesmíru dokážeme změřit. Je pevně usazená v předivu vztahů dnešní vědy, ale její takřka nadpřirozená povaha zároveň přitahuje nelítostné útoky. Kdyby se někomu povedlo rychlost světla sestřelit a roztrhnout tím závoj reality pracně utkaný Einstenovou relativitou, čeká ho za takový bezbožný čin nehynoucí sláva. Veškeré snahy zatím skončily nezdarem.
V posledních dnech si získal pozornost nový útok na svatou rychlost světla, který vede fyzik James Franson z Marylandské univerzity. Ve svém článku pro odborný časopis New Journal of Physics tvrdí, že podle jeho výpočtů je světlo pomalejší, než by mělo být. Ve vědě lze podle charakteru časopisu přibližně odhadnout, jak vážně můžeme podobné převratné novinky brát. Vliv časopisu New Journal of Physics, vyjádřený jeho vcelku slušným impaktním faktorem (kolem 4), je asi desetkrát nižší, než u nejprestižnějšího vědeckého časopisu Nature. Není to tedy bláznivá revoluce ve fyzice, alespoň prozatím ne, ale Fransonova práce určitě stojí za pozornost.
Franson vychází z pozorování supernovy SN1987A z periferie mlhoviny Tarantule ve Velkém Magellanově oblaku, jejíž exploze k nám dorazila v únoru 1987. Na Zemi jsme naměřili přílet fotonů a neutrin ze chřtánu exploze. Potíž je v tom, že fotony měly zpoždění, skoro 5 hodin. V inkriminovaném roce 1989 si vědci mysleli, že se spletli a že chytili fotony odjinud. Kdyby to tak ale bývalo nebylo, tak Franson navrhuje, že fotony ze supernovy zpomalily dočasné rozpady fotonů na virtuální páry pozitronů a elektronů kvůli procesu polarizace vakua, který popisuje kvantová elektrodynamika. Při takových rozpadech a opětovném skládání a současném působení velkých gravitačních polí, jako jsou v centru galaxií, by podle Fransona mohlo docházet k nepatrnému zpomalování elektromagnetického záření z místa exploze supernovy SN1987A. Nebylo by to nic velkého, ale docházelo by k tomu často a na při letu skrz 168 tisíc světelných let, což je vzdálenost mezi námi a supernovou SN1987A, by to prý na pětihodinové zpoždění v pohodě stačilo.
Pokud by měl Franson pravdu, tak by to byl průšvih. Skoro každé měření v kosmologii by bylo špatně. Záření ze Slunce by k nám letělo o pár mžiků déle. Z galaxie Messier 81, která je vzdálená 12 milionů světelných let by to ale už proti současným odhadům dělalo zpoždění asi tak dva týdny. Důsledky pro astrofyziku by byly strašlivé. Museli bychom přepočítat všechny vzdálenosti a řadu teorií bychom prý mohli zahodit. V některých případech bychom museli začít s výpočty a úvahami úplně od nuly. Tak závažné věci si ale každopádně vyžádají velmi důkladné prověření.
Literatura
PhysOrg 26. 6. 2014, New Journal of Physics 16: 065008 (online 12. 6. 2014), Wikipedia (Vacuum polarization).
Kvantoví elektrodynamici poprvé odhalili tvar fotonu
Autor: Stanislav Mihulka (20.11.2024)
S novou technologií nočního vidění by mohl v noci vidět každý
Autor: Stanislav Mihulka (06.06.2024)
Čínští fyzici zpomalili světlo více než 10 000krát
Autor: Stanislav Mihulka (12.02.2024)
Kouzla magnetooptiky: Magnetický metamateriál dokáže uvěznit světlo
Autor: Stanislav Mihulka (18.08.2023)
Fyzikální exorcismus: Vědci po 67 letech ulovili Pinesova démona
Autor: Stanislav Mihulka (10.08.2023)
Diskuze:
pro Vít Výmola
František Řeřicha,2014-07-02 12:46:00
Pane, říkáte : "Temná hmota je temná právě proto, že s elmag zářením vůbec nijak neinteraguje. Zkrátka, světlo nestíní. Sám pojem "temná hmota" je dost zavádějící,...". Pane, já byl do této chvíle přesvědčen, že temná hmota je temnou pouze a to pouze proto, že sama nevyzařuje, ale to ještě neznamená, že sama neinteraguje s zářením, které do ní narazí, ona ho pohltí. Že by ne ? Vy to zřejmě víte lépe než já ? přesvědčte mě !
Pro Jakuba Rintu
František Řeřicha,2014-07-02 09:02:09
Píšete mi, že : "nechápu o co vám jde, kam svými dotazy směřujete? Většina vašich předpokladů je mylných, plete stáří vesmíru s jeho rozměrem." Já, pane Rinta, za to nemůžu, že nechápete. A taky za to nemůžu, že dokonce nechápete když se řekne "12 miliard s v ě t e l n ý c h let ; a 12 miliard let", že jedno z dvou vyjadřuje vzdálenost a druhé čas. Kdo se tu plete jste Vy.
Poznámka : na další řeč, vyvolávající hádku, nebudu už odpovídat.
pro pana Vojtěcha Kociána
František Řeřicha,2014-07-02 07:35:16
Předpokládáte špatně, že mířím na viditelnou hmotu svou otázkou. Ne. Musíte si to přečíst ještě jednou. Položil jsem otázku jinou a jinak. Po jaké trajektorii letí foton ze vzdálenosti 12 miliard let světelných ? Cokdyž se ten foton pootočí cestou o devadesát stupňů než dopadne. A druhá otázka byla : Máme-li emitenta , hvězdu, ve vzdálenosti 12 miliard světelných let, pak kolik fotonů z ní vyletí každou sekundu a kolik z tohoto počtu za 12 miliard let doletí do cíle, tj. do pozorovatelny někoho, aniž potká hmotu, do které by narazil.
A navíc otázka : Je-li ve vesmíru baryonní hmoty 4% a temné hmoty 27%, dohromady 31%, pak při homogenním a izotropním rozložení této by cca třetina světla hvězdy neměla dorazit na povrch koule o poloměru 12 světelných let. Jak ovlivní absence 30 ti procent světla fakta pro pozorovatele o hvězdě ?
Re:
Vít Výmola,2014-07-02 09:36:56
Temná hmota je temná právě proto, že s elmag zářením vůbec nijak neinteraguje. Zkrátka, světlo nestíní. Sám pojem "temná hmota" je dost zavádějící, ale zavedlo se to tak, co už... Baryonová látka (ta ~4%) pak je všechno možné, jenom ne homogenní. Ovšem pozorování ovlivňuje výrazně, když je v cestě.
Vojtěch Kocián,2014-07-02 09:43:10
Na první otázku odpověď neznám.
Odpověd na druhou není problém spočítat za použití Wikipedie (nebo papírových tabulek) a kalkulačky. Jelikož mě samotného to zajímalo, tak jsem se do toho pustil a pokud nedošlo k nějaké chybě, tak výsledkem je: Z hvězdy o svítivosti Slunce dopadne ve vzdálenosti 12 GLy jeden foton na metr čtvereční jednou za zhruba pět let za předpokladu, že mu nic nestojí v cestě. Tak malé objekty v tak velké vzdálenosti samozřejmě nemůžeme zaregistrovat. Kvazary jsou trochu jiná váhová kategorie.
Třetí otázka nedává smysl, protože hmota ve vesmíru není rozložená rovnoměrně. Navíc světlo různou hmotou prochází různě, takže netuším, jak jste dospěl k té jedné třetině. Spíš bych považoval za pravděpodobnější, že při homogenním rozložení hmoty bude světlo pohlceno (případně rozptýleno či transformováno na jiné vlnové délky) relativně rychle. Řekněme v řádu jednotek světelných let, ale to je jen naprosto neodborný výstřel od boku.
pro Vojtěcha Kociána
František Řeřicha,2014-07-01 17:41:22
Jsem dost velký šťoural, ale zde k Vašim slovům nemám námitek, ani kdybych se velmi snažil nějaké "vymyslet".
Povězte mi ( při vaší vzdělanosti ) po jaké trajektorii letí foton z kvasaru vzdáleného 12 miliadr let, je-li časoprostor globálně zakřivený ? Kolik fotonů ( procentuálně ) se z každého enitenta zachytí na baryonní hmotě než dorazí k libovolnému pozorovateli ( ke všem sférickým pozorovatelům ).
Fyzikálním vzděláním neoplývám
Vojtěch Kocián,2014-07-01 21:20:59
Jsem jen prostý technik. Takže mé komentáře berte raději s ještě větší rezervou než populární články a tv pořady.
Předpokládám, že svou otázku míříte na viditelnou hmotu, která vidět není, protože je nějakou jinou hmotou zakrytá. Vězte, že i vědci si neradi přidělávají práci a pokud by mohli temnou hmotu vysvětlit tím, že se jen schovává někde za rohem, tak to velmi rádi udělají. Potíž je v tom, že ta hmota nechybí ani tak v celém vesmíru (to by se dalo okecat), ale přímo v rámci konkrétních a někdy i blízkých galaxií. Často jde dokonce určit místo v galaxii, kde by měla být. Gravitační modely podle Newtona nebo Einsteina začnou fungovat až když se tam ta hmota dosadí. Existují i modely upravující Newtonovu respektive Einsteinovu teorii tak, aby temná hmota nebyla potřeba (třeba v jednom z minulých článků zmíněný MOND). Momentálně se většina vědců (zdaleka ne všichni) přiklání k tomu, že temná hmota je reálná, i když neví, co to je. Co se z toho nakonec vyklube, vážně nevím.
pro pana Petra Hájka
František Řeřicha,2014-07-01 14:37:14
Díky za upozornění ( že rychlost světla je maximální jen ve vakuu ). Pane, a pokud letí v jiném prostředí než je vakuum, pak jakou má klidovou hmotnost ten foton ? letí-li pomaleji ? než je céé.
Vojtěch Kocián,2014-07-01 15:12:40
Pan Hájek to nepopsal zrovna přesně. Rychlost fotonu je vždy c (tedy stejná jako rychlost šíření světla ve vakuu). V materiálu se sice světlo šíří pomaleji, ale ne proto, že by se fotony jako takové zpomalovaly, ale proto, že jsou pohlcovány atomy materiálu a následně opět vyzařovány. Alepoň tak zní fyzikální vysvětlení, které mimo jiné odpovídá i na otázku, proč některé vlnové délky materiálem projdou a jiné ne. Důležité v tomto případě je, že vlastnosti fotonu vstupujícího do materiálu jsou shodné s vlastnostmi fotonu vystupujícího (především jde o energii a polarizaci). Lze tedy říci, že jde o jeden a ten samý foton. Ve Slunci to ovšem neplatí, tam se gamma fotony vzniklé během fúze srážkami s částicemi postupně mění na fotony s nižšími energiemi. V podstatě si myslím, že je chybou mluvit tu přímo o fotonech, když jde spíše o rychlost šíření energie. Z určitého úhlu pohledu o fotony jde (zprostředkovávají elektromagnetickou interakci), ale to už bychom pomalu mohli mluvit o fotonech, které procházejí z topeniště přes stěnu kamen do místnosti (s nadsázkou, situace v nitru Slunce bude složitější).
A nevěřte slovo od slova, tomu, co říkají v populárně vědeckých pořadech v televizi. Tam to maximálně zjednodušují kvůli časovému omezení a přizpůsobují co nejširšímu publiku. Výsledkem jsou občas solidní bláboly (když Michio Kaku vysvětloval výhodnost střídavého proudu oproti stejnosměrnému, tak jsem si mohl ukroutit hlavu). Jako základ to může být fajn, ale pokud to chcete pochopit hlouběji, je potřeba náročnějšího studia.
Kdy nemá foton rychlost světla ?
František Řeřicha,2014-07-01 07:56:12
Také jsem to nedávno někde četl nebo v televizi slyšel, že foton, než se prodere ze středu Slunce na jeho okraj, mu to trvá milion let, a pak když opustí Slunce, doletí na Zem za 8 minut ( a kousek ).Rád bych slyšel od odborníků, zda kdybych si abstraktně dotyčný foton očísloval když ve středu Slunce vzniknul, a sledoval jeho pouť, zda stále měl „rychlost světla“. Pokud ano, musel zatraceně kličkovat…milion let kličkovat mezi ostatními elementy, než dosáhl povrchu. Anebo neměl tu pověstnou rychlost světla ? Pokud se onen očíslovaný foton srážel s jinými hmotnými částicemi a znova byl tou částicí co ho pohltila vyzářen, pak to už není „stejný“ foton. Problém s odborníky je v tom, že nikdy nepopíší událost a fakta dokonale ( výklad je odfláknutý, polovičatý ).
Petr Hájek,2014-07-01 13:18:33
Proto se říká "rychlost světla ve vakuu". Při průchodu různými materiály má foton samozřejmě rychlost jinou, nižší než ve vakuu.
A nyní k meritu věci
Radim Dvořák,2014-07-01 02:01:25
Zmíněné zpoždění světla za detekovanými neutriny se řešilo již krátce po detekci supernovy SN1987A. Může mít a nejspíše i má dva důvody.
Prvním je předpoklad rozdílného času vzniku neutrin a fotonů. Předpokládá se, že emise neutrin nastává při kolapsu jádra hvězdy. Neutrina prostupují okolní hmotou ven téměř bez interakcí, tak jako obvykle. Fotony naopak mají volnou cestu, až když rázová vlna dosáhne okraje hvězdy. Srovnejte se Sluncem a jak dlouho trvá fotonu, než se dostane z jádra na povrch a je vyzářen do okolí.
Druhým důvodem je, že zmíněná rychlost světla je rychlostí ve vakuu, zatímco mezihvězdný ale ani mezigalaktický prostor absolutním vakuem nejsou. V jakémkoliv hmotném prostředí se světlo šíří pomaleji než v ideálním vakuu. Neutrina naproti tomu interagují se známou hmotou neuvěřitelně neochotně, přičemž vzhledem k jejich extrémně malé klidové hmotnosti jim výbuchem byla udělena rychlost téměř rovná rychlosti světla.
Implikace jsou snad již dále jasné, na to přece nepotřebujeme exotické teorie.
A ještě by mě zajímalo, jak může rozdíl času (= vzdálenosti) 2 týdnů při 12 milionech let být tak zásadní. Podle mého názoru a znalosti způsobů měření vzdálenosti velmi vzdálených objektů je tento poměr velmi hluboko pod experimentální chybou.
Rychlost světla máte špatně,
Radim Dvořák,2014-07-01 01:40:15
je 299792458 m/s, ta devítka na třetím místě...
Na čem závisí rychlost světla ?
František Řeřicha,2014-06-30 17:06:05
No, když uvážím „fakta“, že objem současného vesmíru je cca 1082 m3, a kdybych si pro potřebu představivosti převedl veškerou „svítící“ hmotu, tj. 1053kg té hmoty na protony o hmotnosti 10-27kg, čili bych měl počet kusů protonů 1080ks, pak by v každém kubíku prostoru byl jeden proton. To je opravdu řídký prostor, čili foton by měl před sebou tak řídký les, že by „nikdy“ nenarazil na strom…podobně jako neutrino „umí“ projít celou zeměkoulí aniž potká atom. Jenže ve vesmíru nejsou protony rozmístěny takto rovnoměrně. Hmota je ve shlucích ( galaxie ). Pak mi moje představivost moc nebere, že by žádný foton letící cestu 13 miliard let nenarazil po cestě do nějaké hmoty. A to ještě tam má ten foton navíc překážku v oné „temné hmotě“ , 27%.
Druhá otázka : kdyby ve vesmíru nebyla hmota, anebo by jí bylo milionkrát míň, byla by rychlost světla také konstantní ?, já si myslím že ano. Kdyby foton letěl "kolem" padesáti galaxií a jeho trajektorie by byla po cestě k nám 50x zakřivena, stejně by měl foton stejnou rychlost. c = 1/1.
Kolik fotonů letí vesmírem "právě teď" ?
František Řeřicha,2014-06-30 16:25:53
Kosmologové presentují, že baryonní hmoty, té hmoty, co je „vidět“ je 4%. Otázka : A to doletěly k nám do našich přístrojů z té v e š k e r é hmoty baryonní fotony v š e c h n y ?, všechny aniž by se určitý počet fotonů někde cestou „nezachytil do něčeho nenarazil“? Chtějí kosmologové říci, že naprosto všechny fotony, co k nám letí 13 miliard let, že žádný, opakuji žádný,do ničeho nenarazil ???Kolik to už bylo fotonů ? Pokud narazil, pak by té baryonní hmoty bylo néé 4% ,ale více. O kolik více ? Kolik fotonů letí vesmírem každou sekundu ? A kolik jich už doletělo každou sekundu ? za 13 miliard let ? Pokud baryonní hmota „svítí“ ( svítí veškeré 4 procenta té hmoty ? ), pak opravdu každý foton, který k nám doletěl neměl po cestě překážku ? Když si představím kouli o poloměru 13 miliard světelných let a představím uprostřed nějakou hvězda, co září sféricky a vysílá fotony sféricky, pak celá ta koule „zevnitř“ je bombardována fotony, na každém milimetru své „vnitřní“ plochy dopadají…, kolik je to fotonů „současně“ ?
Pulsary
Vojtěch Kocián,2014-06-30 14:30:45
Změřit by to mělo jít poměrně přesně. Ani pulsary s periodou v řádu jednotek milisekund nejsou dost rozmazané na to, aby nebyly identifikovatelné. Časový průběh pulsu ze vzdálenosti 18000 světelných let zde:
http://observatory.cz/news/nejrychlejsi-milisekundovy-pulsar-j1748-2446ad.html
Jaká by mohla být distribuce těch rozpadů, těžko říct.
Petr Kuběna,2014-06-30 14:26:40
Nemělo by to naopak znamenat, že rychlost světla je vyšší, než si myslíme? Pokud jsme doteď měřili v prostředí o kterém jsme předpokládali, že fotony nezpomaluje a byl to špatný předpoklad, znamená to, že fotony se pohybují rychleji, pokud nedojde k rozpadu na virtuální částice a tedy že zmíněný absolutní limit v rychlosti je výše.
Rozdíl rychlosti fotonů a neutrin
Vít Výmola,2014-06-30 14:12:45
Že neutrina dorazila při zachycení supernovy SN1987A dříve než fotony by vlastně nemělo překvapovat. Neutrina letěla celou trasu téměř bez interakce, zatímco fotony se prodíraly kde čím. Dokonce se před dvěma lety během spekulací o nadsvětelné rychlosti neutrin mluvilo o tom, že neutrina nemají rychlost vyšší než je rychlost světla, protože časový rozdíl pozorovaný u supernovy byl "jen" pět hodin.
Nový je samozřejmě pohled na to, jak může fotony ovlivňovat vakuum samotné a, jak je zmíněno, důsledky pro astrofyziku by byly veliké.
Nicméně asi ne na teorii relativity. Ta má sice v rovnicích rychlost světla a rychlost světla také jako konstantu a maximum možných rychlostí. Ale v pozadí jde o pohyb částice s nulovou klidovou hmotností, který je ničím nerušený. Rychlost takové částice je dána jenom vlastnostmi prostoru, jakékoliv brždění je už jiný efekt, se kterým TR nepracuje.
A co rozmazání obrazu?
Jan Kotek,2014-06-30 13:58:51
Pokud uvažujeme o rozpadu jednotlivých fotonů na virtuální páry, tak k němu rozhodně nedojde u všech fotonů stejně. Takže výsledný obraz by se měl rozostřit v čase (foton, u kterého dojde k rozpadu jen v 10% případů o proti normálu k nám dorazí dříve než ten, který se rozpadne "podle příručky"). Je ale možné dnes něco takového vůbec spočítat a změřit?
pan Kotek,
Juraj Chovan,2014-06-30 22:04:04
doba zivota virtualneho paru elektron-pozitron je extremne kratka, takze na vysvetlenie opozdenia 5 hodin by k premene fotonu na tento par doslo pocas letu fotonu biliony bilionov krat. Statisticka odchylka pri tak vysokom pocte je teda jedna biliontina a Vami spominane rozmazanie by cinilo iba niekolko miliardtin sekundy.
No, nepotěšil jste mě...
Jan Kotek,2014-07-01 16:10:56
Miliardtina sekundy - během ní uletí světlo zhruba 30 cm. A já bych potřeboval jev, který nastane na menší ploše a přitom byl dostatečně energetický, abych jej zachytil na statisíce světelných let. A také dostatečně produktivní na změření dostatečného vzorku pro ověření statistiky. Jinak místo zpomaleného fotonu změřím foton, co vznikl o 30 cm dále.
Takže ani ty pulzary nepomohou.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
