ČAS: největší iluze vesmíru?

Čas. Věc, pocit, fyzikální veličina popisující změnu a vše kolem nás. V současnosti bereme čas jako něco zcela samozřejmého. Budík ráno zazvoní, hodina skončí, seriál uteče, pátek střídá pondělí. Čas podle našeho přirozeného pocitu plyne pro všechny stejně a pořád dopředu.
Jenže fyzika, hlavně ta moderní, nám do toho tady pořádně hází vidle. Co když čas vůbec neteče? Co když se v něm pouze pohybujeme? Lze čas ohnout či úplně zastavit?

Abychom čas pochopili, je nutné se nejdřív podívat, jak ho vlastně vnímáme. V běžném životě je pro nás čas něco velmi praktického. Díky němu víme, kdy máme přijít do školy nebo do práce, kdy dávají náš oblíbený pořad, kdy máme psát test a kdy jít spát, i když ten spánek častokrát vědomě ignorujeme. Instinktivně čas rozdělujeme na minulost, přítomnost a budoucnost. A máme silný pocit neměnné minulosti. Tento pocit časové „jednosměrnosti“ vnímáme tak silný, že nám přijde naprosto přirozený. Zatímco rozbitý hrnek či prasklé sklíčko na mobilu se samo nikdy nesloží, fyzikální rovnice teoreticky připouštějí i opačný chod času.

Ještě na přelomu 19. a 20. století považovali fyzici celého světa čas za absolutní, tedy stejný pro každého, kdekoliv ve vesmíru. Této teorii věřil i například proslulý sir Isaac Newton. Podle něj tikaly hodiny na Zemi i na Měsíci, nebo kdekoliv jinde úplně stejně. Jenže po nějaké době přišel obří zlom. O naprostý zlom v chápání času se postaral původem německý patentový úředník a teoretický fyzik Albert Einstein.

Na začátku 20. století Albert Einstein v obou verzích své teorie relativity ukázal čas nikoliv jako absolutní, nýbrž jako veličinu plynoucí různě rychle pro různé pozorovatele. Nebojte, uvědomuji si možnou nezvyklost či zvláštnost těchto tvrzení, ale princip Einsteinových poznatků je ve skutečnosti poměrně jednoduchý.

Pojďme si to názorně vysvětlit níže.

Než se pustíme do relativity času, je dobré si připomenout rychlost světla. Ve vakuu (vzduchoprázdnu) se světlo šíří rychlostí ≈ 300 000 km/s (značíme c), a to pro každého pozorovatele stejně, i když se vůči sobě pohybují. Rychlost světla lze jednoduše popsat jako maximální možnou rychlost, kterou lze ve vesmíru vyvinout (maximální rychlost šíření informace). Právě tato „stálost“ rychlosti světla je jedním ze základů Einsteinovy speciální relativity. Podle ní žádný hmotný objekt (objekt s nenulovou klidovou hmotností) nemůže dosáhnout rychlosti světla a ani ji překročit. Jelikož čím více se těleso k c blíží, tím rychleji roste energie potřebná k dalšímu zrychlování, až by pro dosažení c byla potřeba nekonečná energie, což není možné. Zároveň platí slavný vztah, dle Einsteinovy nejslavnější rovnice E = mc 2 , kdy je E – energie, m – hmotnost a c – zmiňovaná konstanta rychlosti světla, je hmota „totéž“, co energie. (Rovnice E = mc 2 vyjadřuje ekvivalenci hmotnosti a energie. Hmotnost odpovídá určité klidové energii.)

Jedna a tatáž strana mince. A protože se v relativitě rychlosti skládají jinak než obyčejným sčítáním (jako jsme sčítali síly na základce), nikdy nemůže vzniknout situace typu „2 x c“, jelikož je rychlost světla ta „nejvyšší povolená rychlost“. Nemůžeme ji tedy přesáhnout. (Rychlosti se v relativitě skládají jiným vztahem než v klasické mechanice, takže žádné skládání rychlostí nedá výsledek větší, než je c. V hustším prostředí, například ve vodě či kouři, se rychlost světla snižuje.)

A právě všechny tyto myšlenky a skutečnosti pak přímo souvisejí s tím, proč se čas při vysokých rychlostech chová jinak než v běžné zkušenosti.

A co vlastně znamená ta „relativita“? Pokusím se o co nejjednodušší popis. Relativita a pojem „relativní“ označuje vztah závislosti jednoho jevu na druhém. Laicky řečeno: výsledek, který je podmíněn jiným výsledkem nebo okolnostmi. Můj oblíbený příklad je ten, co pravděpodobně pronesl právě Albert Einstein: „Když jste s vaší přítelkyní dvě hodiny venku, přijde vám to jako chvilka. Ale kdybyste měli položit ruku na rozpálenou plotnu a nechat ji tam celou minutu, bude vám to připadat jako věčnost, a právě to, je ta relativita.“ Pokud už tedy víme o relativitě času, co to pro nás ale znamená v realitě? Například odlišné plynutí času pro různé pozorovatele. Čím rychleji se budete pohybovat, tím pomaleji pro vás budeplynout čas. Na první pohled zase žádná logika, co říkáte? Opět si to zkusíme zjednodušit.

Ukážeme si to na poměrně známém paradoxu dvojčat. Představme si Honzíka, který má dvojče Dominika. Dominik se jednoho dne rozhodne vyrazit do vesmíru ve své vlastní, velmi rychlé raketě. Honzík se ale létání bojí, tudíž nechá Dominika letět v raketě samotného. Než se oba rozdělí, každý se rozhodne vzít hodiny, které zapnou ve stejném čase. Chtějí totiž změřit, jestli naměří nějakou časovou odchylku. Ještě tentýž večer Dominik se svou raketou odstartuje a vydá se na svůj vesmírný výlet. Dominik po startu zrychlí (Dominik musí změnit rychlost/směr (obrat), tím se rozbije symetrie „oba vidí druhého zpomaleně“) na velmi vysokou rychlost, většinu cesty letí přibližně konstantně (stejně / stále), pak se otočí, změní směr a vrátí se zpět. Honzík sledoval start i první okamžiky Dominika na cestě, poté se vrátil ke svému běžnému životu a školním povinnostem. Oběma hochům tikají hodiny, ovšem na různých místech. Po pár dnech se dvojčata opět shledají a zjistí jednu podstatnou i podivnou věc. Hodiny každého z dvojčat ukazují jiný čas. Jak je to ale možné, když jim celou dobu hodiny tikaly stejně? Tedy alespoň na první pohled. Tomuto jevu odborně říkáme dilatace času.

Už tedy víme o úpravě (zpomalování) času při vyšších rychlostech. Teď se pojďme dle mého slibu podívat na gravitaci. O gravitaci mluví Albert Einstein ve své druhé verzi své teorie relativity, konkrétně v té obecné části. Albert Einstein nám ukázal neoddělitelnost času od prostoru. Zavedl úplně nové chápání gravitace a popsal ji jako jev zakřivení časoprostoru. A právě takové zakřivení časoprostoru dokáže čas také zpomalit či „upravit“ jeho pravidla. Albert Einstein objevil schopnost každého hmotného tělesa ohýbat časoprostor, což je nejvíce patrné u extrémně hmotných objektů, jako jsou například hvězdy či černé díry. Čím hmotnější objekt budeme mít či pozorovat, tím větší bude zakřivení. Můžeme si to představit na časté ilustraci plachty, například trampolíny, na kterou položíme těžkou kouli, která následně vytvoří prohlubeň. Tělesa do prohlubně poté kloužou. (Extrémně zjednodušeno pomocí známého příkladu. V realitě je matematický popis mnohem složitější a obtížně představitelný. Viz teoretické 4 rozměry reality. Uvedený příklad je jen ilustrace zakřivení. Tělesa se pohybují po drahách, které odpovídají danému zakřivení časoprostoru. Země díky své oběžné rychlosti kolem Slunce nepadá přímo „dovnitř“ do prohlubně.)

Podobně je to u Slunce a Země. Jednoduše, Slunce svou ohromnou gravitací vytváří obří prohlubeň a Země do ní sklouzává, ale má i nějakou svoji rychlost a sílu, tudíž ke Slunci nikdy nesklouzne úplně.

Dilatace času je fyzikální jev, kdy se čas zpomaluje pro rychle pohybující objekty, či pro objekty v oblasti silné gravitace, o které se za chvíli budeme ještě bavit. Jak jsem si již řekli, rychlost světla nelze překročit a hmotná tělesa ji ani nedosáhnou. Pokud se těleso pohybuje vysokou rychlostí, vesmíru se to jednoduše „nelíbí“ a tento fakt musí někde vykompenzovat. (Velmi silná metafora pro zjednodušení. Důsledkem speciální relativity je pomalejší chod hodin v rychle se pohybujícím objektu z pohledu jiného pozorovatele. Vesmír s největší pravděpodobností není živý objekt a nic nekompenzuje. Vše závisí na matematických a geometrických pravidel časoprostoru. Viz dilatace času a kontrakce délek.)
Vykompenzuje to právě zpomalením času daného tělesa, kterému pak z pohledu jiného pozorovatele plyne čas pomaleji. Důležitým faktem zůstává nevnímání této změny osobou na zpomaleném tělese. Pro Dominika hodiny celou dobu tikaly úplně normálně a nebyl si vědom žádné anomálie. Z Honzíkova pohledu se však Dominikova raketa mohla jevit zpomaleně či zkráceně, což přesně ilustruje princip relativity času mezi různými pozorovateli.
Na závěr Honzíkova a Dominikova příběhu vám nabídnu ještě příklad z mé dílny. Když ráno běžíme na autobus, pravděpodobně ho doběhneme a budeme tam rychleji. Oproti tomu, kdybychom ho ignorovali a šli normálně. V jakém případu ovšem budeme „mladší“? 😀

Už tedy víme o úpravě (zpomalování) času při vyšších rychlostech. Teď se pojďme dle mého slibu podívat na gravitaci. O gravitaci mluví Albert Einstein ve své druhé verzi své teorie relativity, konkrétně v té obecné části. Albert Einstein nám ukázal neoddělitelnost času od prostoru. Zavedl úplně nové chápání gravitace a popsal ji jako jev zakřivení časoprostoru. A právě takové zakřivení časoprostoru dokáže čas také zpomalit či „upravit“ jeho pravidla.
Albert Einstein objevil schopnost každého hmotného tělesa ohýbat časoprostor, což je nejvíce patrné u extrémně hmotných objektů, jako jsou například hvězdy či černé díry. Čím hmotnější objekt budeme mít či pozorovat, tím větší bude zakřivení. Můžeme si to představit na časté ilustraci plachty, například trampolíny, na kterou položíme těžkou kouli, která následně vytvoří prohlubeň. Tělesa do prohlubně poté kloužou. (Extrémně zjednodušeno pomocí známého příkladu. V realitě je matematický popis mnohem složitější a obtížně představitelný. Viz teoretické 4 rozměry reality. Uvedený příklad je jen ilustrace zakřivení. Tělesa se pohybují po drahách, které odpovídají danému zakřivení časoprostoru. Země díky své oběžné rychlosti kolem Slunce nepadá přímo „dovnitř“ do prohlubně.) Podobně je to u Slunce a Země. Jednoduše, Slunce svou ohromnou gravitací vytváří obří prohlubeň a Země do ní sklouzává, ale má i nějakou svoji rychlost a sílu, tudíž ke Slunci nikdy nesklouzne úplně.

Pravda je, že všechna zmíněná fakta nejsou pouhou teorií nebo sci-fi. S těmito relativistickými fakty běžně počítají naše družice GPS. (Jelikož se pohybují velmi rychle a v rozdílné gravitaci, než je na povrchu Země). Kdyby se s touto matematickou odchylkou chodu hodin nepočítalo, navigace by měla řádově kilometrové odchylky a byl by problém dojet na nákup (za předpokladu neznalosti přesné lokace). Jinými slovy, čas a prostor nejsou univerzální, jen každé těleso má svůj „časoprostorový rytmus“ (pojmenování s lehkým abstraktním podtextem. Slouží pro upevnění myšlenky).

Už tedy víme o úpravě (zpomalování) času při vyšších rychlostech. Teď se pojďme dle mého slibu podívat na gravitaci. O gravitaci mluví Albert Einstein ve své druhé verzi své teorie relativity, konkrétně v té obecné části. Albert Einstein nám ukázal neoddělitelnost času od prostoru. Zavedl úplně nové chápání gravitace a popsal ji jako jev zakřivení časoprostoru. A právě takové zakřivení časoprostoru dokáže čas také zpomalit či „upravit“ jeho pravidla.
Albert Einstein objevil schopnost každého hmotného tělesa ohýbat časoprostor, což je nejvíce patrné u extrémně hmotných objektů, jako jsou například hvězdy či černé díry. Čím hmotnější objekt budeme mít či pozorovat, tím větší bude zakřivení. Můžeme si to představit na časté ilustraci plachty, například trampolíny, na kterou položíme těžkou kouli, která následně vytvoří prohlubeň. Tělesa do prohlubně poté kloužou. (Extrémně zjednodušeno pomocí známého příkladu. V realitě je matematický popis mnohem složitější a obtížně představitelný. Viz teoretické 4 rozměry reality. Uvedený příklad je jen ilustrace zakřivení. Tělesa se pohybují po drahách, které odpovídají danému zakřivení časoprostoru. Země díky své oběžné rychlosti kolem Slunce nepadá přímo „dovnitř“ do prohlubně.) Podobně je to u Slunce a Země. Jednoduše, Slunce svou ohromnou gravitací vytváří obří prohlubeň a Země do ní sklouzává, ale má i nějakou svoji rychlost a sílu, tudíž ke Slunci nikdy nesklouzne úplně.