Ole Christensen Rømer, dánský matematik. V roce 1676 určil na základě pozorování zákrytu Jupitera a jeho měsíců rychlost světla. Je po něm pojmenován kráter Römer na přivrácené straně Měsíce. (Kredit: Wikipedia)

Neměnná rychlost světla aneb co bylo na počátkuLidé se od pradávna pokoušeli změřit rychlost světla. Zatímco u zvuku to jde celkem snadno, světlo je velmi, vážně velmi rychlé, takže se dlouho myslelo, že je jeho rychlost nekonečná. Ale nekonečna nejdou fyzikům moc pod vousy a tak spřádali stále sofistikovanější pokusy, jak světlu přistřihnout křídla. Pozorování prodlev mezi odkrytím různě vzdálených luceren k cíli nevedlo, bylo potřeba se poohlédnout kousek dále a to do vesmíru. V roce 1676 pozoroval dánský matematik a astronom Ole Rømer. Jupiterův měsíc Io, jak obíhá kolem plynného obra. Když byl Jupiter nejblíže Zemi, trval oběh přesně 42,5 hodiny, jak se Jupiter od Země vzdaloval, vycházel Io z Jupiterova stínu stále později oproti době, kdy by měl tento měsíc podle výpočtu vycházet. Na základě Rømerových pozorování následně vypočítal Christiaan Huygens rychlost světla jako 220 000 km/s.

Christiaan Huygens, nizozemský fyzik. Jako první vyslovil myšlenku, že světlo je tvořeno vlněním. Dnes je známá jako Huygensův princip. (Kredit: Wikipedia)

První, kdo úspěšně změřil rychlost světla na Zemi, byl v roce 1849 francouzský fyzik Hyppolyte Fizeau. Ten použil zdroj světla, zrcadlo vzdálené přesně 8633 m a mezi zdroj světla a zrcadlo umístil rotující kotouč se zářezy. Myšlenka experimentu byla prostá, světlo projde jedním zářezem k zrcadlu a jiným zpět. Rychlost světla lze potom spočítat ze vzdálenosti zdroje a zrcadla, počtu zářezů na disku a rychlosti rotace disku. Tento experiment byl různými vědci dále zpřesňován, jak se také zlepšovala schopnost vědců přesně měřit čas, až se v roce 1926 dostali na hodnotu 299 796 +/- 4 km/s. Dnešní měřící metody určily rychlost světla na 299 792 458 m/s.


Nejslavnější nepodařený pokus a jeho důsledkyVědci 19. Století se domnívali, že prostor kolem nás vyplňuje světlonosný éter a rychlost světla je relativní vzhledem k tomuto éteru. Ve stručnosti by se měla rychlost světla paprsku, který se pohybuje ve směru shodném s pohybem Země kolem Slunce lišit od rychlosti paprsku na tento směr kolmého. Albert Michelson a Edward Morley proto sestrojili velmi důmyslný interferometr, ale přes veškerou snahu nedokázali změřit žádný rozdíl mezi dvěma kolmými paprsky. Rychlost světla a rychlost Země se prostě nesčítala. To byla skutečná bomba, které potopila nejen teorii éteru, ale i naše chápání časoprostoru.  Proto je zřejmě tento pokus taky nejslavnější ze všech nezdařených pokusů.

Albert Abraham Michelson, americký fyzik narozený v Polsku. V roce 1907 obdržel za své přesné optické přístroje Nobelovu cenu za fyziku. (Kredit: Wikipedia)

Podívejme se teď blíže, co je špatného na tom, že rychlost světla se nemění, ať se přibližujeme nebo vzdalujeme od zdroje tohoto světla. Případné šťouraly upozorňuji již předem na to, že mnou uvedený příklad nebude stoprocentně fyzikálně správný, ale danou věc ilustruje velmi dobře. Proto ho použiji. Představte si dva kamarády, z nichž jeden je kosmonaut a letí raketou k tomu druhému. Raketa se pohybuje přesně 99,999% rychlostí světla. Kosmonaut svému kamarádovi pošle rádiem zprávu, že už přilétá.Z pohledu kamaráda, ke kterému se ta raketa blíží, přiletí signál jenom zlomek sekundy předtím, než samotná raketa. Zato z pohledu kosmonauta bude za jednu sekundu signál skoro 300 000 km daleko před ním. Vzhledem k tomu, že rychlost světla je pro všechny pozorovatele stálá, musí se měnit tempo, s jakým plyne čas. Z pohledu kamaráda se kosmonautův čas zastavil. Ano, čím více se rychlost, s jakou se pohybuji, blíží rychlosti světla, tím se vůči okolnímu pozorovateli můj čas zpomaluje, mluvíme o dilataci času. A v okamžiku, kdy dosáhneme přesně rychlosti světla, tak se náš čas zcela zastaví. Z toho plyne například, že pro foton, tedy částici světla je všude právě tady a teď. Tím, že se pohybuje rychlostí světla pro ni prostor ani čas nemá žádný význam.


Možná si myslíte, k čemu je nám tohle dobré, když dnes nedisponujeme technologií, která by dokázala raketu urychlit na tak velkou rychlost, aby se na ní projevily relativistické efekty. No, fyzik, hlavně ten částicový by s vámi určitě nesouhlasil. Kolem nás existuje velká spousta velmi zajímavých částic s více než jepičí délkou života, která se počítá v  nano sekundách. Abychom je mohli pozorovat, musíme je urychlit na rychlost blízkou rychlosti světla, což se děje například v LHC v Cernu. Anebo můžeme využít toho, že k nám tyto částice putují vesmírem už s dostatečnou rychlostí. V každém případě je Einsteinova teorie relativity (speciální - STR i obecná - OTR) velmi dobře prověřena a ověřena pokusy. Jak z částicového mikrosvěta, tak z astronomických pozorování.

Zvětšit obrázek

Družice GPS z výtvarné dílny NASA.

A nyní proč se nás STR týká – nebýt ní, netrefili bychom domů, tedy určitě ne s pomocí GPS. Tyto družice létají vysoko nad naší hlavou rychlostí 12000km/h. Zatímco protonům v LHC je čas 7000 krát zpomalen, u družic GPS plyne čas pomaleji o pouhých 5 x 10e ^-9. Zdá se to pranepatrné, ale GPS v principu je založeno na velmi přesném měření času a kdyby se tento jev nebral v úvahu, už za hodinu by byla odchylka přes padesát metrů. Na GPS má samozřejmě vliv i OTR, ale až někdy příště.

V příštím díle se podíváme trošku pod pokličku matematice, která za STR teorií vězí. Kdo chce počítat už dnes, může zkusit spočítat, o kolik dříve k nám dorazí signál z rakety, která se blíží rychlostí 99,999% c, vyslaný v okamžiku, kdy je raketa od nás vzdálena přesně jednu světelnou hodinu. My, jakožto druhý pozorovatel, se vůči raketě nijak nepohybujeme (výpočet se skrývá v připojeném souboru).