Rychlejší než světlo – existuje nadsvětelná rychlost?

Rychlost světla je limitující rychlostí. Žádná informace se nemůže pohybovat rychleji než světlo ve vakuu. Přesto existují podmínky, kdy mohou mít částice hmoty nadsvětelnou rychlost. (délka blogu 5 min.)

Ultimativní rychlost šíření informace

Nejvyšší rychlost, jakou se může informace v našem vesmíru pohybovat z bodu A do bodu B. I tak bychom mohli definovat rychlost světla. Tato definice se týká informace, která se pohybuje ve vakuu. Tento nepatrný detail vede k zajímavému jevu. V jiném prostředí se může informace (například částice) za určitých podmínek opravdu pohybovat rychleji než světlo. Nepopírá tím sice fyzikální zákony, zato způsobuje zajímavý jev, kterému se říká Čerenkovovo záření.

Rychlejší než světlo

Jedním z míst, kde se dají pozorovat částice, rychlejší než světlo, je jaderná elektrárna.

Najdete je v bazénech, ve kterých se skladují vyhořelé palivové tyče. V tyčích probíhá radioaktivní rozpad, který bývá doprovázen uvolňováním různých částic záření. Jedním z druhů uvolněných částic jsou elektrony. Některé z nich nesou opravdu vysokou energii. Vysoká energie má, jak je známo, za následek vysokou rychlost částic.  

Elektrony, které opouštějí materiál tyčí, musí mít energii vyšší, než 0,26 MeV, aby byly stejně rychlé jako světlo ve vodě - 225 000 000 m/s. Všechny rychlejší elektrony se pak se ve vodní lázni logicky pohybují nadsvětelnou rychlostí. Přitom jsou zároveň pomalejší než světlo ve vakuu (299 792 458 m/s). Dokonce ani tyto elektrony, které se ve vodě pohybují nadsvětelnou rychlostí, tak nepopírají platné fyzikální zákony.

Co je to vlastně Čerenkovovo záření?

Čerenkovovo záření je způsobeno elektrickou polarizací atomů media (tedy například vody). Způsobuje ji virtuální fotonové pole příslušné rychle se pohybující částice.

...

Každý z nově vzniklých dipólů je sám zdrojem elektromagnetického záření. Překrývání amplitud záření dipólů vede běžně k výsledku, které se rovná nule. Pokud se ale částice pohybuje nadsvětelnou rychlostí, mohou se amplitudy vzniklých dipólů vzájemně skládat tak, že výsledek už není roven nule – a záření se stává pozorovatelným. 

Čerenkovovo záření se dá zjednodušeně přirovnat k rázové vlně, kterou v atmosféře vyvolává letící nadzvukové letadlo.

 

Čerenkovovo záření jako zdroj vědeckého poznání

Čerenkovovo záření se ale neomezuje na bazény jaderných elektráren. Dá se pozorovat také v naší atmosféře. Částice kosmického záření, které se v meziplanetárním prostoru pohybují podsvětelnou rychlostí, se vniknutím do pozemské atmosféry najednou stávají nadsvětelnými. Světlo se v atmosféře naší planety pohybuje pomaleji než ony. Částice, které se ponořily do naší atmosféry lokální nadsvětelnou rychlostí, vyvolávají krátké zablýsknutí, které se dá pozorovat speciálním teleskopem.

Takové záblesky trvají sice jen miliardtiny vteřiny, přesto dovolují určit například směr, ze kterého pronikly částice do naší atmosféry.

Tento jev se používá také k detekci neutrin. Neutrina, která se pohybují v materiálu detektoru nadsvětelnou rychlostí, vyvolávají krátké záblesky, které registruje příslušný přístroj.

Nadsvětelná rychlost tedy opravdu existuje! I když trošku jinak, než si představují autoři sci-fi literatury. Jedná se o rychlost ve specifickém prostředí, kde je světlo jednoduše pomalejší, než rychlost zkoumané částice. Rychlost světla ve vakuu zatím nikdo nepřekonal – a jak to vypadá, ještě dlouho nepřekoná.