Proč čas není čtvrtá dimenze

Když studoval Thomas Kuhn fyziku řeckého filosofa Aristotela, zcela jasně vnímal Aristotelovu genialitu, ale s údivem také zjistil, že jeho fyzika obsahuje i očividné naivity. Třeba tu, že tělesa tíhnou ke své přirozené poloze.

Kuhn se sám sebe ptal, jak je možné, že je takový génius schopen napsat i velmi naivně chybné závěry a ve své knize Struktura vědeckých revolucí pak formuloval názor, že se vědecké poznání děje v rámci tzv. myšlenkový paradigmat. Paradigmata usměrňují uvažování podle nějakého výrazného myšlenkového vzoru a tím uvažování značně zefektivňují. Na druhé straně ale uvažování nejednou omezují, a to i uvažování géniů. Pod paradigmatem si můžeme představit určitý styl uvažování. Třeba je to mechanické uvažování newtonovského typu, kdy je vše jednoznačné, přesně deterministické a na každou otázku existuje jednoznačná odpověď buď ano nebo ne. Takové uvažování se ukázalo v průmyslové revoluci jako velice efektivní. 

Takováto paradigmata mají, jak už řečeno, i své negativní projevy, neboť paradigma je vždy zjednodušením uvažování, jak nám ukazuje historie. Můžeme třeba zmínit dávnou představu, že na Zemi není nic dokonalého, ale nebeská tělesa jsou dokonalá co do tvarů i pohybů. Toto paradigma začal překonávat až Galileo Galilei, když 8x zvětšujícím dalekohledem objevil, že Měsíc není něco dokonalého, ale že stejně jako na Zemi jsou na něm hory a údolí. Začalo tak objevování nedokonalosti nebeské sféry a uvědomování si, že nám nedokonalost nebes byla pouze skryta. Kuhnova kniha ukazuje, že v každém, i vědeckém, uvažování nutně existují předsudky, řekněme předpoklady (někdy zamlčené), které se považují za absolutně platné a které postupem času začínají omezovat myšlení.

Lidské myšlení obecně, aby vůbec mohlo fungovat, si musí stanovit určité základy, např. axiomy, postuláty, které v rámci dalšího postupu nezpochybňuje. Podobně se mohou stát nezpochybňovanými myšlenkovými "fosiliemi" i některá dílčí chápání určitých pojmů. Mohou to být chápání správná, která uvažování zjednodušují, a tím ho činí efektivním, jak uvedeno, ale někdy jsou to i chápání špatná. Ta nějakou dobu nevadí, ale později mohou začít uvažování brzdit. Nazvěme si je třeba mikroparadigmata. Jednou z takových fosilií je, zdá se, představa, že čas je 4. dimenze, kteréžto tvrzení se ve speciální teorii relativity (dále jen STR) často opakuje. Nebo že je čas jediný existující čas.

Dnes se podíváme právě na to, jak je to s časem jako čtvrtou dimenzí. Člověk by očekával, že tedy existuje jedna dimenze, která je časem a jako taková se měří v sekundách, hodinách a letech, něco jako obrázku Minkowského diagramu z Wiki výše. Přestože se velmi často v tomto diagramu označuje jedna osa jako čas, je to nesprávné zjednodušení, neboť podle správného matematického modelu musí na této ose být c.t a nikoliv pouze t. Tedy musí tam být čas t násobený rychlostí světla c. A každý školák ví, že rychlost násobená časem nám dává délku v metrech. Očividně tedy zmíněná osa není osa časová, ale délková, prostorová. Má stejný fyzikální rozměr, tedy metr, jako ostatní tři osy, které jsou prostorové. Zdá se tedy zřejmé, že i čtvrtá osa/dimenze je prostorová.

Když se podíváme na matematický výraz vyjadřující vztah prostorových dimenzí a času třeba přímo zase na Wiki, vidíme věc zcela jednoznačně:

x^2 + y^2 + z^2 = (c.t)^2

V analogii také v našem běžném světě neprohlašujeme směr jízdy auta za časovou dimenzi a dobře víme, že když auto jeden po silnici, sleduje jednu prostorovou, nikoliv časovou dimenzi a čas běží mimo tento prostor. Nelze se rozhodnout, že se budeme tvářit, že ve výše uvedeném matematickém vztahu rychlost světla není. I kdybychom základní jednotky času a prostoru nastavili tak, že bude rychlost světla právě rovna jedné, nemůžeme pominout fyzikální rozměr této jedničky, tedy metry za sekundu. To je jako bychom z pohybu auta vynechali jeho rychlost a tvrdili, že se nic nezměnilo. Prostě tvrdit, že je diskutovaná osa časem, je fyzikálně špatné zjednodušení.

Vznik této chyby je nicméně pochopitelný, neboť čas je snad pro všechny lidi něco tajemného a klišé, že je čas 4.dimenzí času jen přidává na "kouzelnosti". Ta je navíc podpořena naším až náboženským obdivem k Einsteinovu géniu, nebo přesněji ke géniu speciální teorie relativity (STR), této výrazné změně chápání světa, která zásadně ovlivnila chápání každého člověka. Mnoho let se nedařilo najít správné řešení problematiky éteru a Einsteinovo nádherné řešení, podpořené skvělým Minkowského čtyřrozměrným modelem STR, vzbudilo u většiny lidí nekritické nadšení. To zapříčinilo, mimo úžasně pozitivních důsledků i to, že se interpretace STR většinou přejímá i s chybami. Nebo s formulacemi, která nutně neplynou z experimentálně ověřeného matematického modelu, nebo dokonce, jako v tomto případě, jsou s ním dokonce v rozporu.

Jestli budeme 4.dimenzi pojímat jako prostorovou a čas jako pohyb našeho vesmíru (tohoto 3D povrchu 4D "bubliny") v tomto směru rychlostí c, zůstane matematika STR modelu zcela identická a žádný experiment potvrzující platnost STR nebude zpochybněn. Z toho je jasné, že tvrzení o čase jako 4.dimenzi není nijak vědecky potvrzeno a může být pouze prvním povrchním dojmem ne-fyzika Hermana Minkowského (byl matematik). Pak by se čas dal chápat jako fyzikální pohyb rychlostí světla ve 4D prostoru, kterýžto pohyb nevnímáme, neboť je kolmý na náš prostor, tedy v našem prostoru neexistuje. To jsme si ale už načrtli v blogu Proč neexistuje prostoročas, což je blog který stejnou logikou ukazuje, že pojem prostoročasu nevyplývá z matematického modelu STR a potvrzujících experimentů, ale je jen jednou z možných interpretací, která je navíc nesena spíše emocemi než racionální úvahou.

Naše pojetí podporuje i otázka, jestli může mít dimenze nějakého prostoru směr. Pohyb určitě směr má, ale nějaká dimenze? Pro znalé podotkněme, že to, co klasický výklad označuje jako hyperbolicitu "prostoročasu" navrhujeme vyložit jako deformaci supratekutého média, kterým "prostoročas" zřejmě je. A "časová" osa se pak bude chápat jako směr pohybu pozorovatele či tělesa v tomto médiu rychlostí světla.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Poznámka pod čarou, kterou doporučujeme laikům přeskočit:

Poznamenejme, že kritika interpretace času samozřejmě nevychází pouze z triviální záměny c.t za t, ale pozadím je tu pokus o celkovou reinterpretaci STR, opírající se o kritiku Einsteinovy definice současnosti v článku autora s názvem "Experimentální filosofie jako efektivní cesta k revoluci ve fyzice" (v kapitole Filosofický experiment analyzující současnost a skutečnost ve fyzice). Tuto kritiku Einsteinovy definice současnosti nepřímo započal v roce 1924 německý fyzik Anton Lampa svým článkem "Wie erscheint nach der Relativitätstheorie ein bewegter Stab einem ruhenden Beobachter?" a jasně ji pak formulovali v roce 1959 Roger Penrose v článku The Apparent Shape of a Relativistically Moving Sphere a James Terrell v článku Invisibility of the Lorentz Contraction. Z ní pak vychází nejen současná tzv. vizuální podoba STR (kterak by vypadaly relativistické efekty pozorované prostřednictvím zpožďujících světelných paprsků), ale i představa STR jako efektu kvantové supratekutiny, jenž tvoří onen 4D prostor, který zobrazuje Minkowského model. Ostatně Einstein sám později uvažoval o změnách interpretace STR, a to jak v případě relativistické (s rychlostí tělesa rostoucí) hmotnosti, tak v případě nekompatibility kinematické první části svého STR článku z roku 1905 s její následným dynamickým pokračováním, jak o tom píše třeba prof. Harvey R. Brown z Oxfordu ve své knize Physical Relativity.