Jak funguje relativita

Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

často se mne ptáš na to, jak vlastně funguje relativita, protože o tom každý povídá, ale málo kdo tomu doopravdy rozumí. Hlavně té fyzikální stránce věci. Tak pojďme na to ...

Základním kamenem vesmíru je to, že přírodní zákony platí stejně pro všechny a všude. Alespoň tam, kde dohlédneme našimi dalekohledy všude vidíme vesmír podle fyzikálních zákonů, které známe mi. A když zkoumáme historii naší Sluneční soustavy, která za těch skoro pět miliard let procestovala velkou část vesmíru, tak i zde najdeme, že zákony nám známé platili i dávné minulosti. A od toho se odvíjí relativita, v podstatě jde o to, aby si dva různí pozorovatelé dokázali sdělit výsledky svých měření a navzájem si rozuměli a naměřili to samé. Aby existoval způsob, jak to přepočítat.

Jedním z důležitých pojmů je vztažná soustava. Ve své podstatě si pozorovatel musí říct, kde je nahoře, kde dole, kudy doleva a naopak kudy doprava. Kdyby to neudělal, nemohl by potom nijak rozumně popsat fyzikální děje, které pozoruje. Vezmi si příklad z praxe, je fotbalové hřiště, na jednom konci je brankář v brance a to bude první pozorovatel, zatímco druhý brankář dělá opičky a pověsí se na branku hlavou dolů. První brankář kopne do míče směrem na druhou stranu. A co pozoruje: Míč nejdříve letěl vzhůru, potom padal dolů, několikrát se odrazil od podlahy a celou dobu se od pozorovatele vzdaloval. Druhý pozorovatel naopak vidí, že míč letěl dolů, potom se opakovaně odrážel o strop a celou dobu se k němu přibližoval. Oba pozorují jeden letící míč, ale každý vidí něco jiného.

Já vím, u nás to kazí to, že podvědomě používáme preferovanou vztažnou soustavu a to naši planetu. Ten druhý brankář dobře ví, že visí hlavou dolů a kde je "správně" nahoře a dole. Ale ve vesmíru, daleko od všeho to tak jednoznačné není. Ale zpátky na zemi a další sportovní příklad. Hraje se hokej, hokejista dostane rychlou přihrávku přes střední pásmo a řítí se rychlostí 50 km/h na brankáře. Na úrovni mezikruží se pořádně opře do střely na branku, která vyletí rychlostí 100 km/h . A teď se podívejme, jak pohyb puku vidí naši pozorovatelé - hokejový útočník a brankář: Z pohledu útočníka se od něj puk vzdaluje rychlostí 100 km/h, zatímco brankář vidí pumelici o rychlosti 150 km/h. A pokračujeme, co kdyby útočník neměl volné pole, protože ho sjíždí obránce a tak by se rozhodl puk nahrát spoluhráči do tandemu. Kdyby puk jenom pustil, jel by pořád rychlostí 50 km/h. Takže musí kotouč zaseknout, aby se od něj vzdaloval rychlostí alespoň  50km/h. Brankář pak vidí, že pul zůstal nehnutě ležet na ledě. Co vidí druhý najiždějící útočník to jistě dovodíš. 

To je princip relativity, který popsal už slavný astronom Galileo Galilei v 16. století. Tady platí, že čas plyne všem pozorovatelům stejně, hmotnost tělesa se nemění a to nejdůležitější je, že výsledná rychlost se dá vyjádřit jako součet rychlostí, třeba rychlost puku vůči brankáři je součet rychlosti hokejisty a rychlosti střely. To platilo velmi dlouho, ale na konci 19. století do toho pozorování světla, toho jak rychle se pohybuje a jakým směrem hodilo vidle. 

Přesněji se jedná o Michelsonův-Morleyův experiment. V čem spočívá přesně ten experiment si milý Time když tak vygoogli, dneska nechci zabíhat do detailů, možná napíšu celý článek jenom o měření rychlosti světla, pokud Tě to bude zajímat. Ale zpátky k tématu. Logicky bys předpokládal, že kdyby ten hokejista místo hokejky měl laser a posvítil jím na brankáře (třeba aby ho oslnil a někdo jiný mohl snadno dát gól, což je nefér a nebudeme se tím dále zajímat), tak by brankář měl pozorovat, že se na něj řítí paprsek přesně rychlostí světla a 50 km rychlosti hokejisty k tomu. Jenomže ne, brankář vidí, že se k němu blíží paprsek přesně rychlostí světla. Hokejista naopak vidí, že se od něj paprsek přesně rychlostí světla vzdaluje. To nejsou výpočty, to jsou mnohokrát opakovaná měření a tisíce různých pokusů. Takže oba dva vidí, že se světlo pohybuje nepřekvapivě přesně rychlostí světla, ale někde v tom lítá těch 50 km/h rychlosti hokejisty. Co s tím? Aby bylo možno správně sdělit to, jak vidí situaci hokejisty brankářovi, musíme zrušit jednu věc a tou je stejné plynutí času všem pozorovatelům. Ve skutečnosti tomu hokejistovy vůči brankáři plyne čas nepatrně pomaleji.

Ano, je to tak. Čím rychleji se pohybuješ, tím pomaleji pro Tebe plyne čas, Kdybys seděl na fotonu a letěl s ním rychlostí světla, čas a prostor pro Tebe ztratí význam, protože jsi všude právě teď. Takový foton, který byl vyzářen při Velkém třesku, o kterém jsme si psal minule, ve skutečnosti do dnešní doby nezestárnul ani o nanosekundu, on je pořád součástí Velkého třesku, on je pořád tady a teď. Jako první s myšlenkou, že čas neplyne všem pozorovatelům stejně přišel Albert Einstein ve své speciální teorii relativity. Bylo to začátkem 20. století, tehdy už se rozdávaly Nobelovky, ale ta teorie byla natolik převratná, že mu raději dali Nobelovku za objasnění fotoelektrického jevu, což je kvantová fyzika, tedy fyzika, které Einstein nevěřil a do smrti se s ní nesmířil. Pěkný paradox, co?

Takže si shrneme, co je to relativita - je to definovaní vztahu mezi dvěma vztažnými soustavami, aby pozorovatelé byli schopni si navzájem sdělit, co pozorovali a aby přitom platilo, že fyzikální zákony platí pro každého a všude. I když to znamená, že čas neplyne všem stejně.