Je relativita v ohrožení?

Odpovím hned: ano, doufám, že ano. Druhá přirozená otázka zní: Měl tedy Einstein pravdu nebo neměl? Na to už není tak snadné odpovědět - měl, i neměl. Koho to zajímá, čtěte dál.

Vědeckým světem posledních dnů hýbe "senzační" objev vědců z projektu OPERA. Odkaz například zde, kde jsou i odkazy na další stránky. Podle jejich výsledků urazí neutrino danou vzdálenost rychleji než světlo, což je v rozporu s Einsteinovou teorií relativity. Nejdříve jsem byl poměrně nedůvěřivý a celou zprávu považoval za zkomoleninu senzace chtivých novinářů. Pak jsem se, podobně jako asi většina veřejnosti - jak laické tak i odborné - přiklonil k závěru, že jde nejspíše o chybu měření. Nakonec ale povaha zveřejňovaných informací překonala moje obavy a teď začínám věřit, že vědci z týmu OPERA mají pravdu a že se povedlo něco, v co i ten nejzarytější antirelativista ani ve skrytu duše nedoufal.

Kde je tedy chyba?

Chyba je nejspíš opravdu v Einsteinově teorii relativity. Ale pozor! Existují dvě teorie relativity - speciální (STR) a obecná (OTR). Na tomto místě je musíme začít důsledně rozlišovat.

Obě teorie relativity se z dnešního hlediska zdají být dobře postavené a experimentálně mnohokrát prověřené. To je ale pouze zdání, které se vědci snaží u laické veřejnosti vzbudit. Ve skutečnosti je experimentálně dobře ověřená pouze OTR, a to zejména třemi jevy: precese perihelia planety Merkur, ohyb světla v silném gravitačním poli a gravitační dilatace času, prakticky ověřená pomocí satelitů GPS.

Jelikož OTR je v podstatě nadstavbou nad STR, zdálo by se, že ověření OTR automaticky implikuje platnost STR. Ale to není pravda, ani logicky, a nejspíš, jak ukazuje právě poslední experiment, ani fakticky. Jaké jsou tedy důkazy pro platnost samotné STR? Já vím o dvou - miony, částice, které vznikají v horních vrstvách atmosféry a jejichž životnost je tak krátká, že by nestačily doletět na zem, ale díky relativitě se jejich život prodlouží a ony dopadnou. A dále pak Hafele-keatingův experiment. Slavný Michelson-Morleyův experiment (MME) nebudeme považovat za důkaz STR, neboť je to naopak její výchozí bod. K tomuto experimentu se ještě vrátíme.

Jsou tedy dva existující důkazy silné a neotřesitelné jako podpora STR? Pokud se nad tím člověk zamyslí opravdu kriticky, musí nutně dojít k závěru, že nejsou. U mionů je to vskutku paradoxní situace, protože není zřejmé, kdo se vůči komu pohybuje, zde tedy mion vůči zemi nebo naopak. Rozhodně existuje minimálně jedno stejně nebo i více pravděpodobné vysvětlení tohoto jevu. U Hafele-Keatingova experimentu je situace obdobná. Jednak už samotný experiment byl navržen trochu podivně. Autoři předpokládali, že hodiny obíhající Zemi půjdou pomaleji, ale ony šly nakonec rychleji. Až dodatečně byla na experiment "naroubována" OTR a pak to všechno vyšlo dobře. Samotný projev STR je sice možná průkazný (i když se tehdy pohyboval na hraně citlivosti přístroje, posléze byl ale údajně zopakován přesněji), ale z logického hlediska podobně problematický, jako miony - kdo se vůči čemu vlastně pohybuje a kde by tedy hodiny měly jít rychleji a kde pomaleji?

Toto je vlastně klíčový problém celé relativity - ta relativita.

Co je na STR špatně?

Na logickou inkonzistenci SRT poukazovali vědci od jejího počátku a v celém průběhu 100 let, kdy se v její platnost bezmezně věřilo, se našlo vždy několik významných vědců, kteří ji zpochybňovali. Vždy ale byli tak nějak umlčeni a STR žila dál.

Pokud je ovšem pravda to, že se podařilo detekovat neutrina ze supernov, a že dorazila přesně stejně jako světlo, pak měla být STR vykopnuta na smetiště dějin právě v tomto okamžiku, protože neutrina mají nenulovou klidovou hmotnost a tím pádem, dle STR, v žádném případě od supernov vzdálených několik mld světelných let nemohla dorazit současně se světlem. Že se tak nestalo, je trochu záhada, patrně nějaká setrvačnost.

Jak z toho ven?

Pokud STR odolala neutrinům rychlým stejně jako světlo, je možné, že odolá i neutrinům rychlejším než světlo. Sami vědci předvídají, že pokud by se tento experiment potvrdil, byl by to strašný otřes pro fyziku. Na druhou stranu, já to tak černě nevidím. S celým problémem se lze poměrně elegantně vypořádat. Samozřejmě, je třeba odvolat STR, ale OTR zůstane v platnosti celkem beze změn. Nanejvýš z OTR jako důsledek vymizí drobné paradoxy, zavlečené tam právě STR, jako například pád tělesa do černé díry. Podle nynější OTR by tam z hlediska vzdáleného pozorovatele nemělo nikdy dopadnout. A přesto takové jevy již byly údajně pozorovány.

Když píši, že STR je třeba zavrhnout a OTR zachovat, měly bych naznačit, jak si to vlastně představuji. Člověk alespoň částčně obeznámený s problematikou má za to, že OTR je na STR dost silně závislá. Ale to není pravda. OTR vychází zejména z principu ekvivalence, který je logický a experimentálně dobře ověřený. Další věc, která se do OTR promítá je výsledek MME. A tady je ten základní problém - myslíme, si, že jedině STR dokáže správně MME vysvětlit.

Ovšem každá teorie, která vysvětlí MME, tak spolu s principem ekvivalence vede v podstatě k těm stejným výsledkům OTR!

A STR určitě není jediná teorie, která dokáže MME vysvětlit. Einstein z MME vyvodil jeden zdánlivě elegantní předpoklad - totiž že všechny inerciální soustavy jsou z fyzikálního hlediska EKVIVALENTNÍ. Tento předpoklad pak vede k STR v podobě, jak ji známe. Je to ovšem tak silný předpoklad, že nevyhnutelně vede k logicky neřešitelným situacím, jako je paradox dvojčat. Tento paradox existuje právě díky STR a jakkoli se nás vědci snaží přesvědčit, že to není žádný paradox a tento problém je vyřešen, opak je pravdou. Paradox dvojčat nemá v algebře generované Lorenzovou transformací žádné logické řešení.

K plnému vysvětlení MME však stačí zdánlivě jen o maličko slabší předpoklad - že totiž všechny inerciální soustavy jsou (minimálně pomocí MME a podobně založených experimentů) fyzikálně NEROZLIŠITELNÉ. Na první pohled to vypadá skoro stejně jako Einsteinův předpoklad, ale důsledky jsou diametrálně odlišné. Především zde opět vyvstává možnost existence preferované vztažné soustavy.

Preferovaná vztažná soustava silně připomíná teorii éteru, kterou fyzici právě díky Einsteinovi slavnostně zavrhli. Ale ve skutečnosti žije tajně v myslích fyziků dál. Vždyť například celá kosmologie skrytě s preferovanou vztažnou soustavou pracuje, jakkoli se navenek tváří "relativisticky".

Jak jsem napsal výše, důsledky "slevení" z ekvivalence soustav mohou být nedozírné. Například už nic nebrání hmotným tělesům pohybovat se rychleji než světlo. Na druhou stranu ovšem to nejspíš stále zůstane nemožné pro tělesa složená z naší hmoty - při rychlosti světla by nejspíš přestaly působit síly, které drží hmotu složenou z atomů pohromadě - takže kosmická loď by se v podstatě rozpadla na nějaké subatomární částice a už by ji nikdo nikdy nedal dohromady. Ovšem pro částice typu neutrino je cesta k nadsvětelnosti rázem otevřená!

Proč 6 mikrosekund?

Pokud tedy slevíme z STR a nahradíme ji jinou teorií s mírnějším požadavkem, mohou se najednou částice pohybovat rychleji než světlo. Pokud by se neutrino pohybovalo třeba 2x nebo 6x rychleji než světlo, bylo by asi nasnadě, že musíme něco předělat úplně zgruntu. Ono se ale pohybuje přes propasti galaxií úplně stejně rychle a u nás na Zemi jenom nepatrně rychleji než světlo.

Zbývá tedy vysvětlit, kde se vzal ten maličký přírůstek. Pokud se tedy neutrino za normálních okolností pohybuje stejně rychle jako světlo, zbývá jen jedno možné vysvětlení - že to, co zde u Země, nebo ve Sluneční soustavě měříme, jako "rychlost světla ve vakuu", není ve skutečnosti ta největší rychlost, jaké světlo dokáže dosáhnout. Klíčem bude patrně to, jakým způsobem prochází světlo skrz hmotu. Nebudu se o tom více rozepisovat, ale světlo nejspíš snižuje svoji rychlost nejen při průchodu nějakým materiálem, ale rovněž při průchodu gravitačním polem. Proto nakonec pozorujeme jeho gravitační ohyb. Pak tedy to, co měříme na Zemi, může být ovlivněno gravitací Země, nebo celé sluneční soustavy.

Shrnutí

Pokud mají vědci ze skupiny OPERA pravdu, pak k vysvětlení celého jevu jsou zapotřebí dva základní kameny: 1. vysvětlit, proč se nějaká hmotná částice vůbec může pohybovat stejně nebo dokonce rychleji než světlo, 2. vysvětlit, proč může světlo měnit svoji rychlost i ve vakuu. Vysvětlení obou jevů si vyžádají značnou revizi fyziky, zejména odstranění SRT, na druhou stranu OTR zůstane v podstatě nedotčena a může být dokonce i vylepšena. Je jen a jen na fyzicích, jestli budou mít dostatek sil a odvahy vymést ten augiášův chlév a postavit se k nově zjištěným skutečnostem čelem.