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. Toto c je stejná hmota jako energie. 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. V hustším prostředí, například ve vodě či kouři, se rychlost světla naopak 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 bude plynout 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 na velmi vysokou rychlost, většinu cesty letí 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.

Dilatace času je fyzikální jev, kdy se čas zpomaluje pro rychle se pohybující objekty, či pro objekty v oblasti silné gravitace, o které se za chvíli budeme ještě bavit. Jak jsme 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.

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.) Podobně je tomu i u Slunce a u 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.

Pravdou 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“.

,Ovšem pokud už víme, co se všechno s časem může „dělat“, mohla by nás napadnout otázka: Jak čas vznikl? Má nějaký počátek? No, není to vůbec špatná otázka, ale je to jedna z nejzásadnějších otázek moderní fyziky, na kterou přesně neznáme odpověď. Podobných otevřených otázek je v moderní fyzice více. Nejpoužívanějším současným modelem (teorií) je teorie Velkého třesku. S Velkým třeskem pravděpodobně vznikl náš vesmír a s ním právě i čas, tedy nějaký počáteční časoprostor. Předpokládejme tedy vznik času současně se vznikem vesmíru.

V rámci tohoto teoretického modelu však pojem „před“ postrádá smysl.

Ptát se na to, co bylo před časem, je stejné jako pátrat po tom, co leží za hranicí vesmíru nebo kam se vesmír rozpíná. Takové otázky jsou bezpředmětné, protože vesmír představuje samotný časoprostor, neexistuje tedy žádné „vně“ ani „před“.

Na závěr ještě jedna pozoruhodná věc. Ve vesmíru nevidíme „teď“. Jak asi všichni víme, nebo alespoň tušíme, sluneční paprsky k nám ze Slunce putují cca 8 minut. Můžeme si z toho odvodit, co znamená pohled na oblohu. Když se ve dne podíváme nahoru, vidíme Slunce vlastně 8 minut v minulosti. A co teprve hvězdy? A vzdálené galaxie až miliardy světelných let? Lidstvo na povrchu Země zachycuje pouze světlo a informace putující k nám tisíce let.

Vesmírné objekty tedy vnímáme v jejich minulé podobě, v historii, odpovídajícím okamžiku, kdy z nich světelné paprsky vyrazily na cestu. Jsme tedy odkázáni výhradně na to, co k nám stihlo doletět. Proto lidstvo staví obří dalekohledy, které se snaží slabé, daleké světlo zesílit a vidět ještě hlubší minulost. Určitého zrychlení dosahujeme díky sondám a observatořím v blízkosti vesmírných objektů, čímž zkracujeme dráhu putujícím informacím. Limit rychlosti světla však zůstává vždy a všude nepřekonatelný. Je fascinující si představit, co se tam nahoře asi ve skutečnosti děje. Teď, až se příště podíváte nahoru na noční oblohu, vzpomeňte si na to, že hledíte přímo do dávné minulosti.

Pojďme si shrnout, co jsme si dneska pověděli. Už to víme! Čas není absolutní a neplyne pro všechny stejně. Zpomaluje při vysokých rychlostech a v silném gravitačním poli. Také jsme si povídali o samotné gravitaci, kterou Albert Einstein „přetvořil“ na ohnutý časoprostor. Ukázali jsme si, že všechny tyto principy nejsou jen teoretickým cvičením, ale reálnými fakty podloženými experimentálními důkazy. Zopakovali jsme si význam rychlosti světla a prozkoumali paradoxy, které nám odhalují zcela novou tvář času i vesmíru samotného.

Pevně doufám v jedno. Čas už pro nikoho ze čtenářů tohoto článku nebude jen obyčejným údajem na displeji telefonu.

Děkuji za čtení a nezapomeňte hledět ke hvězdám! (Do minulosti :D)

Zdroje obrázků:
[1] = https://images.nasa.gov/details/NHQ202108110003
[2] = https://www.space.com/time-how-it-works
[3] = https://www.space.com/15830-light-speed.html
[4] = https://www.einstein-online.info/en/spotlight/twins/
[5] = https://kardashev.fandom.com/wiki/Relativity

*Tento text má silně populárně a naučný charakter. Veškerá uvedená fakta a vědecké aspekty představují
základy moderní fyziky a měla by být snadno dohledatelná. V případě pochybností o odborné přesnosti
doporučujeme ověření informací z dalších zdrojů nebo přímý dotaz na naši redakci. Děkujeme za pochopení.