Nejrychlejší ve vesmíru: Co vlastně znamená hranice rychlosti světla a lze ji překročit?
Světlo se pohybuje zdánlivě nekonečnou rychlostí. Ve skutečnosti je však jeho rychlost ve vakuu konečná a pevně daná. Mohlo by tento „maximální povolený limit vesmíru“ v hodnotě zhruba tří set tisíc kilometrů za sekundu něco překročit? Odpověď zní poněkud překvapivě ano.
Rychlost světla představuje jednu ze základních fyzikálních konstant a současně také velmi přísné omezení, které v současnosti pohřbívá naše naděje na cesty k jiným hvězdám, či dokonce galaxiím. Když lidé zjistili, že Zemi obklopuje celý vesmír plný stálic, hvězdných ostrovů a také ohromného množství dalších planet, jejich představivost pracovala na plné obrátky. O jaké světy asi jde, jaké nabízejí prostředí, dalo by se na nich žít? Bylo by velmi vzrušující na vlastní oči zjistit, jakou podobu mají exoplanety a jejich mateřské hvězdy v rozmanitých soustavách. Nebo jak to vypadá v cizí galaxii.
Problém je, že všechny zmíněné objekty leží neskutečně daleko. A pokud bychom k nim chtěli doletět klasickým způsobem, narazíme na zásadní limit daný nepřekonatelnou rychlostí světla. Jedná se o fyzikální hranici ve vesmíru, která zatím fatálně svazuje naše možnosti.
Tři sta tisíc kilometrů za sekundu
Rychlost světla ve vakuu činí 299 792 458 m/s a často se uvádí jako zaokrouhlených 300 000 km/s. Představuje univerzální konstantu c, jež se vyskytuje v mnoha fyzikálních rovnicích. Jak vyplývá z Einsteinovy speciální teorie relativity, která tvoří základ podstatné části dnešní fyziky, nic ve známém kosmu se nemůže pohybovat tak rychle jako světlo. Stejně jako v případě podobných fyzikálních extrémů souvisí s rychlostí světla pojem nekonečna. Z teorie plyne, že když se hmota blíží rychlosti světla, současně roste její hmotnost. Pokud by se dostala až k uvedené hranici, její hmotnost by dosáhla nekonečna, což není v rámci standardní fyziky možné. Proto vytváří rychlost světla za současného stavu poznání absolutní rychlostní omezení pro celý vesmír.
Rychlost světla ve vakuu je přitom natolik konstantní, že se používá pro definování základních veličin, jako je jednotka délky metr. Rovněž se podílí na definici kilogramu pro hmotnost či kelvinu pro teplotu. Coby konstanta je velmi užitečná. Současně však mnohé vědce i tvůrce sci-fi dráždí její nepřekonatelnost, spojená s faktem, že se kvůli ní reálně nemůžeme dostat ani ze Sluneční soustavy za dobu, která by významně nepřesahovala délku lidského života.
Neustále se tedy objevují představy, že bychom mohli daný limit nějakým způsobem obejít, takže bychom pak fakticky cestovali rychleji než světlo, ale přitom bychom jeho rychlost fyzikálně nepřekračovali. Ať už se však jedná o warpový pohon ze světa Star Treku, pohyb hyperprostorem Hvězdných válek, průlety červími dírami jako ve filmu Interstellar, průchody hvězdnými bránami, nebo o fascinující nepravděpodobnostní pohon ze světa Stopařova průvodce po Galaxii, přesuny nadsvětelnou rychlostí zatím zůstávají doménou science-fiction.
Rok jako vzdálenost
Vědecké obory zabývající se vesmírem mívají občas sklon používat poněkud matoucí termíny a patří mezi ně i světelný rok neboli ly, z anglického „light year“. Nejde totiž o jednotku času, jak by se mohlo na první pohled zdát: Světelný rok vyjadřuje vzdálenost, jakou ve vakuu urazí světlo za jeden rok, čili zhruba deset bilionů kilometrů. Jedná se o praktický způsob, jak popisovat nezměrné dálavy dělící hvězdy a galaxie.
Z Měsíce k nám světlo doletí přibližně za sekundu. Lze tedy říct, že našeho souputníka od nás dělí jedna světelná sekunda – z čehož vyplývá, jak ohromující vzdálenost představuje světelný rok. Světlo ze Slunce dorazí k Zemi asi za osm minut, hvězda je od nás tudíž vzdálená okolo osmi světelných minut. Jakmile se však ocitneme za hranicemi Sluneční soustavy, dostávají se do hry světelné roky. Momentálně nejbližší hvězdu, červeného trpaslíka Proximu Centauri v souhvězdí Kentaura, pozorujeme ve vzdálenosti 4,22 ly. Kdyby explodovala, dozvíme se to za 4,22 roku.
Jak si představit 1 ly? Pozemský rok má zhruba 31,5 milionu sekund. Světelný rok tedy zahrnuje asi 31,5 milionu násobků vzdálenosti mezi Zemí a Měsícem. Pilotované kosmické lodě v programu Apollo se pohybovaly rychlostí kolem 39 400 km/h, přesto by jim trvalo přibližně 27 tisíc let, než by urazily 1 ly. Dopravní letadlo letící rychlostí 965 km/h by na to potřebovalo milion roků, a automobil jedoucí rychlostí 90 km/h dokonce 12 milionů let.
Vesmírné objekty jsou na tom poněkud lépe. Země obíhá kolem Slunce rychlostí asi 107 000 km/h, takže 1 ly absolvuje za 10 tisíc roků. I pohyb naší planety ovšem bledne ve srovnání s celou Sluneční soustavou, jež se řítí Mléčnou dráhou rychlostí okolo 720 000 km/h. Vzdálenost 1 ly tak pokoří jednou za 1 500 let a od konce nejmladší doby ledové zhruba před 10 tisíci roky urazila v Galaxii necelých 7 ly.
Odmítnutý objev
Vliv fenoménu rychlosti světla na pozorování kosmu je tak značný, že si ho lidé všimli už před 350 lety. Dánský matematik a astronom Ole Rømer se snažil vytvořit spolehlivé astronomické hodiny pro námořníky. Mezitím v roce 1676 z pozorování Jupitera a zákrytů měsíce Io odvodil, že je rychlost světla konečná. U vědecké obce však se svým objevem narazil, jelikož odporoval tehdejším představám o fungování vesmíru.
Rømerovy závěry potvrdil až v roce 1851 francouzský fyzik a astronom Hippolyte Fizeau, který také odhadl rychlost světla na 315 000 km/s. Na svou dobu velmi přesné měření provedl již roku 1862 jeho kolega Léon Foucault, jenž dospěl k údaji 298 000 km/s. Rychlostí světla a jeho fyzikální povahou se intenzivně zabýval i Albert Abraham Michelson: V roce 1879 uplatnil pro svůj záměr Foucaultovu metodu, vylepšil ji ovšem použitím extrémně kvalitních zrcadel a čoček. Dobral se tak hodnoty 299 910 km/s, která poté zůstala nejexaktnějším určením rychlosti světla další čtyři dekády, než ji tentýž americký fyzik opět zpřesnil.
Vlnění éteru
V uvedené době zápolili fyzici s povahou světla. Nebylo totiž jasné, zda jde o vlny, nebo o částice. Michelson a jeho kolega Edward Morley předpokládali, že má světlo vlnovou povahu, stejně jako zvuk – což ovšem znamenalo problém, protože zvuk potřebuje k šíření médium. Proto byli i mnozí další badatelé přesvědčeni, že světlo vlastně představuje mechanické vlnění dosud neznámého média, které tehdejší přístroje nedokázaly detekovat. Podobný přístup uplatnili vědci mnohem později v případě temné hmoty a temné energie.
Hypotetické všudypřítomné a neviditelné substanci s extrémně nízkou hustotou, jejímž prostřednictvím se mělo světlo šířit, se začalo říkat éter. Odborníci se pak usilovně pokoušeli zmíněnou podivuhodnou látku objevit a prokázat, že je světlo jejím mechanickým vlněním. Tehdejší snahy vyvrcholily slavným Michelsonovým–Morleyho experimentem, jenž se uskutečnil roku 1887 v Clevelandu. Dopadl ovšem úplně jinak, než dvojice očekávala.
Nobelova cena za neúspěch
Michelson s Morleym postavili důmyslný interferometr, vlastně velmi jednoduchou variantu přístrojů, jež dnes detekují gravitační vlny v zařízeních observatoře LIGO. V uvedeném instrumentu putovaly světelné paprsky různými cestami. Badatelé tehdy předpokládali existenci tzv. éterového větru, vznikajícího pohybem těles éterem – tedy především Země kolem Slunce a naší soustavy okolo centra Galaxie. Dvojice očekávala, že vlivem zmíněného větru dojde ke zpožďování světla, podle toho, jakým směrem se bude světelný paprsek pohybovat.
Experiment navazoval na úvodní pokusy v Postupimi z roku 1881, naprosto však selhal. Jednalo se o „tektonický zlom“, který přiměl většinu vědců hypotézu o éteru definitivně zavrhnout. Na jeho výsledky později navázal Albert Einstein, když v roce 1905 publikoval svoji speciální teorii relativity. Nevydařený experiment byl přitom nakonec tak vlivný a důležitý pro další rozvoj fyziky, že se zřejmě jako jediný podobný neúspěch stal hlavní motivací pro udělení Nobelovy ceny za fyziku: Michelson ji získal v roce 1907.
Jak ho zpomalit?
Ve vakuu se světlo obvykle pohybuje absolutní rychlostí. Pokud však prochází nějakým materiálem, projeví se absolutní index lomu dotyčné látky: Výsledná rychlost světelných paprsků pak odpovídá podílu rychlosti světla ve vakuu a tohoto indexu. V rozmanitých průhledných či průsvitných materiálech se může rychlost světla značně lišit. Například zemská atmosféra jej zpomalí asi o tři desetitisíciny jeho rychlosti ve vakuu, zatímco ve vodě se šíří rychlostí okolo 225 000 km/s a ve skle zhruba jen 200 000 km/s, takže je o třetinu pomalejší než ve vakuu. Diamantem pak prolétá rychlostí asi 124 000 km/s, tudíž oproti svému typickému pohybu zpomalí na méně než polovinu – přestože našemu vnímání připadá taková hodnota stále naprosto neskutečná.
Experimenty provedené asi před čtvrtstoletím ukázaly, že lze světlo polapit, a dokonce zastavit uvnitř ultrachladných oblaků atomů. Vědci se jej snažili zpomalit i při průletu vakuem a v roce 2015 to dokázal tým vedený Danielem Giovanninim z University of Glasgow, k jehož členům patřil také Václav Potoček z ČVUT v Praze. Badatelé zpomalili let světla vakuem s využitím specificky prostorově strukturovaných fotonů a potvrdili tím, že za určitých okolností se může i přímo ve vakuu pohybovat pomaleji než svou oficiální rychlostí.
Rychlejší než světlo
O rychlosti světla se často mluví jako o maximální povolené rychlosti kosmu. Může ji něco ve vesmíru překročit? Poněkud překvapivá odpověď zní „za speciálních okolností ano“. Může ji překročit například samotný vesmír svým rozpínáním. Expanduje totiž rychlostí přes 68 km/s na každý megaparsek (MPc) neboli asi 3,26 milionu světelných let: Galaxie ležící 1 MPc daleko se od nás tudíž každou sekundu vzdaluje o 68 km, galaxie ležící 2 MPc daleko pak o 136 km atd.
V určité vzdálenosti potom rychlost kosmické expanze z daného úhlu pohledu převýší rychlost světla. Einsteinova obecná teorie relativity takovou situaci připouští. Samozřejmě to ovšem neznamená, že by se něco v uvedené vzdálenosti pohybovalo nadsvětelnou rychlostí vůči svému bezprostřednímu okolí.
