Kde je na Zemi nadsvětelná rychlost

Je jaksi všeobecně známo na základě speciální teorie relativity, že pro všechny objekty je rychlost světla limitní, nedá se tedy překonat. Nadsvětelná rychlost by proto snad ani neměla existovat. Divte se, naleznete ji i na Zemi!

Připomeňme, že rychlost světla vlastně není jen rychlost světla, ale také rychlost gravitačních vln nebo rychlost gluonů, tedy částic, které lepí dohromady kvarky, aby tvořily např. protony nebo neutrony. Gluony jsou "výměnnou" částicí silné interakce, čili drží pohromadě i atomová jádra.

Co mají gluony, fotony a gravitační vlny společného? Nemohou být nikdy v klidu a stále se pohybují právě rychlostí "světla". Je to ale (opatrně řečeno) rychlost "volného" vzruchu prostoročasu (hypotéza). U částic (fotony, gluony) se to vyjadřuje pomocí klišé, že mají nulovou klidovou hmotnost. To je ale podivné tvrzení, když tyto částice (včetně gravitační vlny) nemohou být nikdy v klidu, nelze se vůči nim pohybovat tak, aby vzhledem k pozorovateli stály, jak říká princip relativity, tedy aby byly v klidu. Termín "nulová klidová hmotnost" tak lze označit spíše za pojem z pohádek, neboť tuto hodnotu nelze ani experimentálně ověřit. O neexistenci nulové klidové hmotnosti si více můžete přečíst třeba ke konci článku "Proč má teorie relativity problém s rychlostí světla".

Pojďme ale k hlavnímu tématu: limit rychlosti světla platí dokonale jen ve speciální teorii relativity, to jest ve zcela rovnoměrném gravitačním poli (žádné černé díry či rozpínání vesmíru). To nám právě našeptává, kde máme nadsvětelnou rychlost hledat. Pro názornost si představme prostoročas, tedy médium, ve kterém se světlo pohybuje, třeba jako vodu. (To, že je prostoročas jakási "suprakapalina" se zdá už dost podložené, viz článek Je prostoročas tekutý? se spousto odkazů na vědecké texty.) Světlo si představíme jako rybu, která v té vodě plave stále stejnou rychlostí.

Voda ale může téci rychleji, než plave ryba, třeba na hraně vodopádu (viz video výše). Pak rybu určitě strhne do hlubin a už ji neuvidíme. Je to vlastně metafora popisující černou díru, do které padá prostoročas rychleji než rychlost světla, a proto se světlo z černé díry nedostane, neboť jej proud prostoročasu strhne. (Tento výklad černé díry právě zmíněnou metaforou ryby a vodopádu si můžete názorně přiblížit v článku Může čas běžet zpět a couvá skutečně nebo zdánlivě?)

Tím jsme ale nalezli první místo, kde existuje nadsvětelná rychlost! Prostoročas se pod horizontem černé díry pohybuje od pozorovatele mimo černou díru nadsvětelnou rychlostí. Samozřejmě tedy i částice pod horizontem se mohou pohybovat rychlostí vyšší než rychlost světla (vůči tomuto pozorovateli). A když si představíme foton, který se nechce dostat ven z černé díry, ale směřuje do jejího středu, singularity, ten se od vnějšího pozorovatele pohybuje podstatně větší než světelnou rychlostí, jelikož se jeho rychlost s rychlostí proudu prostoročasu "sčítá".

Jenže pozor! Metafora ryby a vodopádu nás vede k tomu, že i na Zemi existuje nadsvětelná rychlost. Stačí si představit, že jsme na břehu líné řeky a naše ryba v ní pluje po proudu. Bude mít vůči nám o něco větší rychlost, než je rychlost ryby. Je tedy jasné, že pro astronauty ve vesmíru, jestli posvítí baterkou na Zemi, se bude její světlo za chvíli pohybovat mírně nadsvětelnou rychlostí, což způsobuje gravitační pole, tedy tento "časoprostoro-pád". Pochopitelně, měříme-li rychlost tohoto světla, měříme ho na místě, kde to světlo právě nachází, měřící přístroj totiž musí světlo přijmout. A tam bude měřící přístroj unášen stejnou rychlostí "vody" jako ryba (světlo), tudíž naměří přesně rychlost světla. Nadsvětelná rychlost tedy platí pouze vůči vzdálenému pozorovateli, na místě, kde se světlo právě nachází.

Je ještě někde tak šílená rychlost? Zůstaneme-li u analogie s vodou, pochopíme, že velmi vzdálené galaxie se vůči nám také pohybují rychlostí vyšší než světelnou. Když si představíme ohromnou vodní kouli, která se rozpíná, snadno pochopíme, že pro nás v jednom místě povrchu té koule se bude něco na opačné straně oné koule pohybovat rychleji než ryba (měříme po povrchu koule). Záleží jen na rychlosti zvětšování koule a její velikosti. Také inflace, tedy extrémně rychlé rozpínání vesmíru bezprostředně po velkém třesku, způsobila nadsvětelnou rychlost tohoto "nafukování" vesmíru.

A jestli vás rychlost světla fascinuje tak jako mě, můžete ji dále prozkoumat v následujících článcích:
Pochopte základní ideu Einsteinovy teorie relativity za pár minutVidíme hvězdy v minulosti, nebo v současnosti?Chybička pana Einsteina aneb proč není současnost jen iluzeJe čas jen iluze? (7 minut)Proč má teorie relativity problém s rychlostí světlaNadsvětelná rychlost, obrácení směru čas? Jak prosté, milý Watsone.Je možný warpový pohon ze StarTreku? Je možné překonat rychlost světla?