Existuje éter, přestože ho Einstein odmítl?

Některé věci jsou ve fyzice tak klasicky jasné. Nebo ne? Einstein si odmítnutím existence éteru uvolnil cestu ke speciální teorii relativity. Pro Aristotela byl éter prostor za Měsícem. Pružný, nezničitelný, nevažitelný.

Je to už skoro banální příběh. Když jedeme na kole a hodíme před sebe míček, bude se míček pohybovat vůči zemi rychleji než kolo. Rychlosti se sčítají, na to jsme zvyklí. Jenže už z Maxwellových rovnic pro šíření světla (vlastně šíření jakýchkoliv elektromagnetických vln) vyplývá, že takhle jako míček se světlo nechová. Jeho rychlost se s jinými rychlostmi nesčítá. Když posvítíme baterkou před sebe a jsme v klidu na zemi, bude mít světlo rychlost c = asi 300 000 km/s vůči zemi (přesně to platí jen ve vakuu). Když paprsek světla vyšleme z rakety, letící rychlostí c/2 vůči Zemi, nebude mít tento paprsek rychlost 1,5 c vůči Zemi, ale stále jen 1 c. Dokonce je to tak bláznivé, že tento paprsek světla bude mít současně stejnou rychlost c vůči všem pohybujícím se objektům, ať se přemisťují jakoukoliv rychlostí. (Platí to ale jen lokálně, na místě. Velmi vzdálené galaxie někde na "konci" vesmíru se vůči nám pohybují nadsvětelnými rychlostmi. A stálá rychlost c platí také jen pro inerciální rychlosti, tedy když se pohyb tělesa nijak nezrychluje.)

Toto podivné chování je možné, zdá se, jen tak, že světlo není pohybem vln nějakého média, podobně jako jsou vlny na moři pohybem ve vodě. Vůči tomu médiu by se totiž pozorovatel mohl pohybovat a tím rychlost vln nebo světla změnit. Představme si třeba, že sedíme v loďce a hodíme cihlu do vody. Vlny udělají soustředné kruhy, které se šíří kolem loďky na všechny strany rychlostí, kterou si označíme d. Loďka je ve středu těchto vln (představíme si ji hodně maličkou, aby vlnám nebránila). Jenže když se začne loďka pohybovat ze středu těchto kruhů nějakým směrem, budou mít vlny v tom směru, kam popluje, vůči loďce rychlost menší než d, protože pluje za nimi. Rychlosti se odčítají. Vlny v opačném směru budou mít naopak větší rychlost než d, rychlosti se sčítají, a to úplně stejně, jako jsme viděli u příkladu s míčkem v prvním odstavci. Pak ale není rychlost vln d stejná vůči všem libovolně se pohybujícím pozorovatelům, jako tomu bylo u rychlosti světla.

Aby Einstein tento problém se zvláštní stálou rychlostí světla v roce 1905 vyřešil, prostě odmítl existenci světlonosného éteru, tedy nějakého média, jehož vlny jsou světlem. A díku tomu mohl vytvořit svoji speciální teorii relativity s dilatací časů a kontrakcí délek. Ono jeho odmítnutí éteru vypadá velmi rozumně, protože éter by měl také mít velmi podivné vlastnosti. Měl by být totiž neuvěřitelně pevný a zároveň se vlnit. Skutečně tedy éter neexistuje?

Má to jeden problém. Kdyby éter neexistoval, světlo by pak muselo být vlněním ničeho, což vypadá dost nesmyslně. Tady nám pomůže zase Einstein, konkrétně jeho pozdější obecná teorie relativity. Podle ní je tu ještě něco, co se pohybuje rychlostí světla, a co Einstein předpověděl už před 100 lety. Jsou to nedávno potvrzené gravitační vlny, za jejichž zachycení byla v roce 2017 udělena Nobelova cena za fyziku. (Rozhodně tedy není rychlost světla jen o světle.) Gravitační vlny, které byly zachyceny, pocházely se srážky dvou černých děr. U těchto vln je jasné, co se vlní. Je to prostoročas, tedy gravitační pole. (O tom, že tyto dvě věci jsou vlastně totéž, se můžete dočíst třeba v knize Carla Rovelliho: Realita není, čím se zdá.) Světlo je jasně kvantováno na úrovni klasické kvantové mechanicky, což dokázal opět v roce 1905 milý Albert při výkladu fotoelektrického jevu, za který pak následně dostal Nobelovu cenu. Gravitační vlny ale dle současných znalostí takto kvantovány nejsou, a zdá se třeba podle hypotézy smyčkové kvantové gravitace, tohoto pokusu o teorii "všeho", že jsou kvantovány jemněji. Zatím nenalezené gravitony by mohly být atomy samotného prostoročasu, tedy kvantování by mohlo být o strukturní úroveň níže.

Že má světlo neuvěřitelně přesně stejnou rychlost jako gravitační vlny může být náhoda jen velmi těžko. Stejně jako že gravitační vlny i světlo mají nulovou klidovou hmotnost. Vypadá to, že obojí je jen různý typ vlnění stejného média, prostoročasu, tedy gravitačního pole. Je to zřejmě ono médium, které se nazývalo před Einsteinem éterem. Ostatně i Einstein připustil, že se se zakřiveným prostoročasem v obecné teorii relativity vrací zadními vrátky zpět představa éteru. Původní chápání éteru ale bylo spojenou s představou 3D média, jehož vlněním je světlo. Toto chápání bylo vyloučeno negativním výsledkem Michelson-Morleyho pokusu, který nenalezl žádný éterový vítr, který by měnil rychlost světla způsobem, jaký jsme si popsali výše na příkladu loděk a vln na vodě. Světlo není ve svém pohybu nijak ovlivňováno pohybem éteru ani pohybem pozorovatele vůči éteru. Očividně totéž platí i pro gravitační vlny. Také se pořád pohybují rychlostí c, která se nepřičítá nebo neodečítá od jakéhokoliv (neurychlovaného) pohybu libovolného tělesa. Až technologie pokročí, neškodilo by zopakovat Michelson-Morleyho pokus s gravitačními vlnami.

Jenže, jak je tedy možné, že tělesa při nezrychlených pohybech nepociťují gravitační / éterový vítr, který by měnil rychlost světla anebo rychlost gravitačních vln vůči nim, když existuje gravitační pole / éter? Bude to tím, že tělesa, na která nepůsobí žádná síla, se přizpůsobí toku prostoročasu = gravitačního pole, a jsou tedy tímto "éterem" volně unášena. Konečné vysvětlení může být, že i tělesa nejsou nic jiného než vlna v časoprostoru pohybující se rychlostí c ve 4.dimenzi, jak si lze přečíst v textu Co skutečně znamená rovnice E=mc^2 nebo v blogu Proč čas není čtvrtá dimenze. Tato rychlost je pro nás neviditelná, neboť je kolmá na náš prostor, a proto je její průmět do našeho 3D prostoru nulový.

Jak už v roce 1908 totiž předvedl Einsteinův učitel matematiky Herman Minkowski, 3D prostor nemá samostatnou existenci, jen se nám to tak jeví. Doopravdy existuje jen 4D prostoročas. Ono médium, onen "éter", tedy není 3D, ale nejméně 4D, je tedy 4+D. Protože neexistenci "éterového" větru nelze realizovat ve 3D médiu, ale jen ve 4+D médiu, jak uvidíme za chvíli, musí být "éter" nejméně 4D. Ostatně proto jsme začali dávat slovo "éter" do uvozovek, neboť původní význam slova éter byl pevně spojen s představou 3D média. A prostoročas, gravitační pole, rozhodně nejsou 3D, ale podle hypotéz kvantové gravitace (teorie strun nebo smyčkové teorie), jsou dokonce nejméně 10D. "Éter" tedy existuje, není-ale 3D a říkáme mu prostoročas nebo gravitační pole.

Konkrétní mechanismus, jak může být rychlost světla stále c, i když se pozorovatel pohybuje libovolnou rychlostí, můžete velmi názorně a jasně vidět v blogu ?Proč je rychlost světla stále neměnná - relativita snadno a názorně.... Pro každého pozorovatele se podle jeho rychlosti natočí celý zdánlivý 3D prostor přesně tak, aby tam nebyl patrný žádný éterový vítr (toto natočení odpovídá 4D rotaci zvané Lorentzova transformace, což je základ všech relativistických efektů). Stačí pár obrázků ve zmíněném blogu a je vám to jasné. :-) Nebo stačí pochopit, že vlna v nějakém médiu prostě nemůže registrovat vítr = proud tohoto média, protože je-li někde takový proud, vlna se mu přizpůsobí. Světlo nebo gravitační vlna jsou vlastní vlnou daného média, tedy vlnou přímo vytvořenou z daného materiálu, a to bez strukturních mezistupňů. (Metaforou nevlastních (zvukových) vlny vody může být třeba zvuk v ledu. Ten má jinou rychlost, konkrétně 3200 m/s, protože molekuly vody jsou v něm pevněji svázány, voda tam tvoří krystalky, tedy další strukturní úroveň. Zatímco zvuk v kapalné vodě se šíří rychlostí kolem 1500 m/s.)

Z výše uvedené rotace pak plyne, že prostor je relativní v tom smyslu, že je to 3D řez ve 4D prostoročase, a natočení tohoto řezu ve 4D je dáno směrem rychlosti c tělesa v prostoročase vůči rychlosti c pozorovatele (ve 4D). Natočení směru 4D pohybu (času) tělesa vůči směru 4D pohybu (času) pozorovatele, promítá rychlost c tělesa do 3D prostoru pozorovatele, a tento průmět se jeví jako nám důvěrně známá (podsvětelná) rychlost v našem 3D prostoru. Jestliže je směr 4D rychlosti c tělesa i pozorovatele stejný, těleso je vůči pozorovateli v klidu. Čas je pak relativní proto, že je to jen směr pohybu tohoto tělesa ve 4D (čtyřvektor) a tyto směry pohybů rychlostí světla různých těles ve 4D, tedy směry jejich časů, jsou různé, a promítají se tak na sebe zkráceně, což se projevuje jako dilatace času. Při extrémním natočení pak to, co je pro jeden objekt směrem prostoru, může být pro jiný objekt směrem času (což se děje v černé díře). Prostorové a časové dimenze jsou tak zcela zaměnitelné, neboť jsou stejné prostorové podstaty a čas je pouze (pro nás neviditelný) pohyb ve směru jedné z těchto 4 dimenzí. Obšírněji je to vysvětleno v blogu Proč neexistuje prostoročas. A pojetí prostoročasu jako média je podpořeno mnoha "hydrodynamickými" úvahami předních fyziků, tedy úvahami o prostoročase jako materiálním médiu. Na desítky článků fyziků s tímto tématem najdete odkazy v literatuře na konci blogu Je prostoročas tekutý? Aneb, jsem blázen nebo nový Einstein?.