Čas na povídání o čase

Zamysleli jste se někdy nad tím, jak funguje čas? Že se v časoprostoru všechno pohybuje přesně rychlostí světla? Pokračování knihy Tim se ptá: Proč a jak funguje vesmír aneb co už se na papír nevešlo.

Drahý Time,

právě teď je čas podívat se na to, jak funguje čas. O našem vesmíru, nebo měl bych spíše napsat o našem současném poznání vesmíru, platí, že všechno se v časoprostoru pohybuje přesně rychlostí světla.

Časoprostor

Možná se to zdá divné a odporující každodenní zkušenosti, ale je to tak. Já, Ty, naše auto, naše Země jako celek, to vše se v čase a prostoru, tedy časoprostoru, pohybuje právě rychlostí světla. A nedokážeme zrychlit, ani zpomalit. To je klíčová vlastnost našeho vesmíru. Tedy na makroskopické úrovni, k tomu, jak funguje čas v kvantovém světě se podíváme později.

To, že pohyb každého objektu se odehrává jak v prostoru, tak v čase, jako první ve svých přednáškách použil slavný vědec a popularizátor vědy Richard Feynman. Vychází to z Einsteinovi teorie relativity: Buďto se v prostoru pohybuješ rychle a čas Ti potom plyne pomaleji, takže v případě fotonu, který letí přesně rychlostí světla se čas zastaví úplně. Částice světla se pohybuje jenom v prostoru, nikoliv v čase. Oproti tomu se třeba my lidé ve srovnání s fotonem pohybujeme velice, velice, pomalu prostorem a o to rychleji nám utíká čas.

Dá se tedy říct, že prostor je s časem svázaný právě přes rychlost světla. A také se dá říct, že ve vesmíru není žádné vesmírné teď platné pro celý vesmír, čas v různých místech vesmíru plyne různě. To proto, že na rychlost plynutí času má vliv i gravitace. Ta gravitace, která zakřivuje časoprostor, nejenom prostor, ale i čas. Takže jak si se ptal, nejrychleji běží čas v místě, kde široko daleko není žádná hmota a časoprostor je plochý, nezakřivený. Naopak nejpomaleji plyne čas na horizontu události černé díry. Bohužel neexistuje způsob, jak zrychlit Tvoje plynutí času, abys měl více času na přípravu na přijímačky, jedině že bys zbytek Zeměkoule posadil blízko horizontu události. Ale to by byla hrozná práce a nepředstavitelná spotřeba raketového paliva.

Kvantový čas

Na kvantové úrovni se čas chová zcela jinak. Z makrosvěta jsme prostě zvyklí, že čas plyne pouze jedním směrem, od minulosti do budoucnosti. Říkáme tomu šipka času. Ale zákony kvantového světa mají tyhle šipky dvě. Proč, to se zatím moc dobře neví. Je možné, že se zde dotýkáme dalších rozměrů prostoru. Podle jedné z teorií totiž náš vesmír byl původně jedenácti rozměrný, nicméně krátce po Velkém třesku se většina rozměru zkroutila sama do sebe a zůstaly nám jenom čtyři. 3D prostor a čas. Otázkou je, co kdyby nějaký z těch zhroucených rozměrů byl také čas? Potom by ses mohl pohybovat nejenom v prostoru, ale i v čase. Možná na to narážíme právě v kvantovém světě, ale to je jenom moje osobní spekulace. Obecně nevíme, naše fyzika je na to zatím krátká. Jediné, co víme, že rovnice popisující chování světa na kvantové úrovni, prostě mají dvě šipky času.

O podivnosti kvantového času vypovídá i nedávno publikovaný pokus vědců pod vedením Aephraima Steinberga z univerzity v Torontu. Ty zjistili, že foton někdy stráví v atomu negativní čas. Tedy není to tak, že by vyletěl dříve, než vletěl, ale atom se chová, jako by v něm dotyčný foton pořád ještě byl, i když ten už je dávno venku. Pojďme se na to podívat blíže:

Aephraima před lety zarazilo, že nikde nenašel práci o tom, jaké zpoždění má foton, když prolétá mrakem ultra chladných atomů rubidia. Zrovna ultra chladné atomy rubidia jsou v kvantové fyzice něco jako laboratorní myši, na nich se zkouší kde co. Myšlenka pokusu byla jasná - pošlou foton do mraku, kde jej některý z atomů zachytí - tedy některý z elektronu tohoto atomu přijme foton a to ho posune do vyššího energetického stavu. Říká se tomu excitace. V tomto stavu ale nevydrží dlouho, záhy foton opět vyzáří a spadne na původní energii. Částice světla vyletí z mraku a časový rozdíl mezi vstupem a výstupem je to zpoždění, které chceme měřit. Samozřejmě mínus doba potřebná na to, aby foton tu vzdálenost urazil rychlostí světla.

V tomto experimentu narážíme hned na celou řadu podivností kvantového světa. v první řadě pozorováním měníme pozorovaný objekt. Pozorovat totiž dokážeme jenom foton, nebo podobnou částici, která opustí pozorovaný atom, nikoliv třeba gravitační působení atomu. A druhá věc je, že to nejsou kuličky, které se různě srážejí. Ve skutečnosti jsou to balíčky vlnové funkce, které určují pravděpodobnosti, kde se ta daná částice nachází. No a z toho všeho potom vychází třetí podivnost. Foton excituje atom rubidia, a přitom se v něm vůbec nezdrží. Projde, jako by se nic nestalo, přitom atom je excitován a za nějakou chvilku klesne. Takže se dá říci, že foton strávil v tom atomu záporný čas.

Ta studie je už na netu nějakou chvíli, zatím nebyla publikována v ničem impaktovaném, ale také ji nikdo nesestřelil. Spíše se hledá rámec, jak toto pozorování vysvětlit.

Jak vidíš, to co pozorujeme v makrosvětě nemá svůj obraz v kvantovém světě. Ani si nedokážu představit, co ještě objevíme, když se nám někdy v budoucnu podaří sjednotit teorii relativity se Standardním modelem kvantové fyziky. Ale to už je možná práce pro Tvoji generaci, co říkáš?