Proč je rychlost světla stále neměnná - relativita snadno a názorně...

..aneb relativita polopatě. Rychlost světla je podivná. Je ve speciální relativitě pořád stejná, i když za světlem letíte šílenou rychlostí nebo mu obrovskou rychlostí letíte vstříc. Tuto podivnost lze ale velice snadno pochopit.

Dnes si vysvětlíme podstatu speciální teorie relativity, stálou rychlost světla, tento její základní axiom. (Upozorňujeme ale, že výklad bude pouze názorně metaforický, ostatně tohle je blog, ne fyzikálně plně korektní.)

Speciální teorie relativity je "zjednodušená" teorie relativity, která platí jen pro systémy, na které nepůsobí žádné zrychlení. Výkladem stálé rychlosti světla je vyloženo vlastně to hlavní ze speciální teorie relativity. Není to ale až tak názorné, protože výklad bude ke konci čtyřrozměrný, ale my žijeme v trojrozměrném prostoru. Proto v příštím blogu vyložíme velmi prostě dilataci (zpomalení) času, což bude názorný výklad toho, jak relativita funguje v našem 3D prostoru. Pak bude všem tato teorie jasná. :-)

Vysvětleme si tedy, jak je to s tou rychlostí světla. Představme si, že jsme ve člunu na klidném jezeře a onen člun je také v klidu. Když hodíme do vody vedle lodi kámen nebo zahýbeme celou lodí, vytvoříme vlny, které se šíří na všechny strany stejnou rychlostí a proto vytvářejí kruhy. Že je loď v klidu, to právě poznáme podle toho, že zůstává stále ve středu těchto soustředných kruhů, které jsme předtím např. lodí vyvolali (viz obrázek 1).

Jakmile se ale potom, co vlny vytvoříme, začneme s lodí pohybovat na nějakou stranu, opustíme tím nutně střed kruhů. Skončíme třeba v červeném bodě vpravo, viz druhý obrázek. Jestliže ale zpozorujeme, že loďka zůstala na konec ve středu kruhů, máme jistotu, že jsme se vůči vodě nehýbali, byli jsme vůči ní stále v klidu. Je to prosté: jestliže jsme zůstali stále ve středu, byli jsme v klidu, jestliže jsme mimo střed, pohybovali jsme se.

Udělejme to tak, že ve chvíli, kdy hodíme například cihlu do vody, a ta vytvoří vlny, budeme mít ve středu loďky dvě (a cihlu hodíme třeba mezi ně). Loďka 1 zůstane v klidu ve středu kruhů. Loďka 2 se v okamžiku dopadu cihly začne pohybovat nějakou stálou rychlostí a skončí za nějakou dobu v červeném bodě, viz obrázek 3.

Pochopitelně je zcela nemyslitelné, aby obě loďky, které se vůči sobě pohybují, zůstaly ve středu těchto kruhů vln. Jenže právě to se naměřilo v případě světelných vln ! Když se zjistilo, že je světlo elektromagnetické vlnění, automaticky se předpokládalo, že se vlní nějaké médium (jako je třeba vzduch nebo voda) a toto médium bylo nazváno éter. A tento hypotetický éter se choval právě takto podivně, že ať se v něm těleso pohybovalo jakoukoliv rychlostí, zůstávalo vždy ve středu vln, které před nějakým časem vyvolalo.

Jestliže ale každé těleso vždy zůstane ve středu kruhových vln (v případě prostoru jsou to vlny kulové), je zcela jasné, že tyto vlny mají vůči každému tělesu na libovolnou stranu stejnou rychlost a to i u dvou těles, která se třeba od sebe vzdalují nebo se k sobě přibližují. Právě proto má světlo neustále stejnou rychlost c (cca 300 000 km/s) vůči každému tělesu, každému pozorovateli, vůči každé "loďce" pohybující se libovolnou rychlostí a vůči každému pozorovateli v této "loďce". Zkusíme-li se vydat za světlem velkou rychlostí, jeho rychlost nezmenšíme, stejně jako ji nezvětšíme tím, že mu poletíme obrovskou rychlostí vstříc.

Ale jak je něco takového možné, když to vlastně možné není???!!!! Řešení je poměrně prosté. Elektromagnetické vlnění je totiž (nejméně) čtyřrozměrné, protože se děje v tzv. 4D časoprostoru. To se zobrazuje dosti těžko, takže pro názornost ubereme jeden rozměr. Místo 4D vlnění budeme popisovat 3D vlnění, tedy jakousi kouli vlnění, kterou vidíme na následujícím obrázku 4.

Dobře si představíme, že 3D vlnění je vlastně soubor takovýchto koulí se stejným středem. A tyto koule se rozpínají, podobně jako se rozbíhají kruhy na vodě. A kde je náš prostor? To je dvojrozměrná rovina, která tyto koule řízne. Ostatně dva taková řezy (i když jen polořezy) na obrázku 4 už jsou. A v každém krásně vidíme stejné kruhy, jako jsme viděli na vodě.

Jenže, je-li náš prostor nějaký takový 2D řez, který ufikne "špičku" té koule (viz obrázek 5), pak dostaneme kruhy stejné jako na vodě. Takový řez vidíme například na obrázku 6. Jenže pak jsme ale ve stejné situaci jako s loďkami na vodě na obrázku 3. Máme jedny kruhy, v jejichž středu může zůstat jen jedna "loďka", zatímco druhá, která se vůči této klidové "loďce" pohybuje, musí střed kruhů opustit, ne?

Jenže to je právě to kouzlo světla šířícího se vesmírem, že ten řez není jediný. Každé těleso si podle své rychlosti v prostoru vytvoří vlastní řez, každé těleso má vlastní prostor. To jen ten šok, který objevila speciální teorie relativity. Každá (stálá) rychlost v prostoru znamená jen různé vyklonění tohoto řezu. Takže vlastně každé těleso, podle své rychlosti, má svůj vlastní, jinak skloněný prostor.

Na posledním obrázku 7 vidíme dva takové vůči sobě skloněné prostory (i když jsme pro jednoduchost ubrali ještě další dimenzi a prostorem je zde přímka, která řeže kruh(y)). Každé těleso má své vlastní vlnové kruhy, v jejichž středu se drží. O míře vyklonění jedněch kruhů vůči druhým, jednoho prostoru vůči druhému, rozhoduje rychlost v mezi tělesy, která je na obrázku znázorněna červeným v. Poloměr kruhu je pak rychlost světla c. Hle, nazřeli jste samotnou podstatu Einsteinovy speciální teorie relativity.

Příště si názorně předvedeme, jak se tento 4D mechanismus projevuje v našem obvyklém trojrozměrném prostoru v podobě dilatace času.

(Poznámka jen pro experty: Vím, že jsem v posledním obrázku pro jednoduchost nakreslil rychlost v opačné orientaci.)