K Vánocům patří světlo. Víte o něm vše?

Rychlost světla byla přesně určena koncem 19. století. Než ale Albert Michelson (nikoliv Albert Einstein, jak se všeobecně zmiňuje) změřil dnes uznávanou hodnotu, proběhlo mnoho pokusů. Proč je ale toto číslo tak moc důležité? Na tuto otázku hledá odpověď canaltech.com.

Jaká je rychlost světla?
V současné době je rychlost světla stanovena na 299 792 458 m/s. Kdybychom měli letadlo s rychlostí světla, mohli bychom obletět rovník přibližně 7,5krát za sekundu. V reálném světě však tryskové letadlo o rychlosti 804 km/h přeletí Spojené státy jednou za 4 hodiny.

Již v 5. století řečtí filozofové Empedoklés a Aristoteles diskutovali o povaze světla a jeho rychlosti. První z nich říkal, že světlo musí cestovat, a proto musí mít určitou rychlost pohybu. Aristoteles zase tvrdil, že světlo se šíří okamžitě. Bylo by velmi smutné, kdyby se světlo vesmírem šířilo okamžitě, protože kdyby tomu tak bylo, nemohli bychom odhalit tajemství vesmíru. Když se astronomové dívají například na vzdálenou galaxii, vidí světlo, kterému trvalo miliony nebo dokonce miliardy let, než dorazilo na Zemi.

Albert Einstein ve své teorii relativity z roku 1905 určil, že rychlost světla ve vakuu je konstantní a neměnná. To znamená, že se nemůže změnit, ať se děje cokoli. Tento princip má v astronomii zásadní význam, protože umožňuje provádět řadu měření na základě konceptu světelného roku.

• 

Světelný rok je vzdálenost, kterou světlo urazí za jeden rok – přibližně 10 bilionů kilometrů.

Měrná jednotka „světelný rok“ je nezbytná pro měření vzdáleností objektů, které jsou od nás opravdu daleko, například kvazarů na počátku vesmíru. Některé jsou vzdálené 13 miliard světelných let, což znamená, že jsou staré nejméně 13 miliard let, protože pozorovanému světlu trvá urazit tuto vzdálenost 13 miliard let.

Jsme tedy rádi, že se Aristoteles mýlil, když tvrdil, že světlo je okamžité. Pokud by tomu tak bylo, astronomové by nikdy nemohli zjistit, jak vypadaly vesmírné objekty v dávné minulosti. Jinými slovy, o našem vesmíru bychom nevěděli nic.

Historie pokusů o měření rychlosti světla sahá daleko do minulosti. V roce 1600 postavil Galileo Galilei na kopce vzdálené od sebe necelý kilometr dvě osoby s lucernou. Šlo o to, že když se první rozsvítí, druhý okamžitě odpoví světlem ze své lucerny. Dnes víme, že tento experiment nedopadl příliš dobře, protože Galilei došel k závěru, že světlo se šíří asi desetkrát rychleji než zvuk. Problém spočíval v tom, že vzdálenost mezi oběma lidmi nebyla dostatečně velká na to, aby mezi záblesky obou svítilen vznikla skutečná „prodleva“.

V roce 1728 použil anglický fyzik James Bradley nový soubor výpočtů změn zdánlivé polohy hvězd způsobených otáčením Země kolem Slunce. Odhadl rychlost světla na 301 000 km/s, což byl na tehdejší dobu impozantní výsledek. Přesnějšího výsledku dosáhl až v roce 1879 polský vědec Albert A. Michelson. Ten upravil metodu použitou v roce 1800 francouzským fyzikem Leonem Foucaultem a naměřil rychlost světla na 299,910 km/s.

Výše uvedený příběh nelze považovat za úplný, pokud nezmíníme fyzika jménem James Clerk Maxwell, protože bez něj své objevy neučinil ani Albert Einstein. Maxwell byl tím, kdo v polovině 19. století objevil způsob, který vysvětloval všechna pozorování elektrických a magnetických polí.

Ve svých rovnicích zjistil, že změna elektrického pole může vytvořit magnetické pole a naopak. Vlny elektřiny tak vytvářejí vlny magnetismu, které dále vytvářejí vlny elektřiny, jež se od sebe odrážejí a mohou se šířit prostorem. To je to, co dnes známe jako elektromagnetickou sílu.

• 

A proč je tohle důležité pro příběh o rychlosti světla? Elektromagnetická síla je zprostředkována právě fotonem, základní částicí, která „nese“ světlo. Když mluvíme o rychlosti světla, mluvíme také o rychlosti fotonu a zároveň tedy i o vlnění, které objevil Maxwell.

Einstein přišel jen několik desetiletí po Maxwellovi a uvědomil si, že rychlost světla se netýká právě světla samotného. Respektive nejlogičtějším způsobem, jak tuto rychlost měřit, byla korelace mezi světlem, energií a hmotou. Německý fyzik si uvědomil, že existuje spojení mezi časem a prostorem, jednotná struktura, která je dnes známá jako časoprostor.

„Klíčem“, který odemkl tuto truhlu tajemství, bylo spojení, které sjednocuje pohyb v prostoru a pohyb v čase. Jinými slovy, například hodnota jednoho metru prostoru v čase. Einstein objevil jedinou konstantu, určitou rychlost, která nám může říci, kolik prostoru odpovídá kolik času a naopak.

Pomocí speciální teorie relativity a Maxwellových rovnic Einstein zjistil, že tato rychlost přeměny je přesně rovna rychlosti světla. Je to základní konstanta, která sjednocuje prostor a čas. Maxwell toto číslo již vypočítal, i když o něm nevěděl. Proč ale rychlost světla tak úzce souvisí s časoprostorem?

Ukázalo se, že všechny částice bez hmotnosti se mohou pohybovat touto rychlostí, a protože světlo (foton) nemá hmotnost, může se touto rychlostí pohybovat. Známá rovnice E=mc² popisuje vztah mezi hmotou a energií – veličiny hmoty (m) obsahují obrovské množství energie (E).

Tento vzorec nám říká, že rychlost světla je konstanta, která ukazuje, kolik energie musí být v dané hmotě. Na samotném čísle nezáleží, protože závisí na jednotkách času a vzdálenosti. Změnou jednotek se změní číslo c. Ale o rychlosti světla rozhodl sám vesmír a úkolem vědy je pouze to prokázat a pokusit se to vysvětlit.

Výše uvedené věty znamenají, že rychlost světla nezávisí na rychlosti zdroje vyzařujícího světlo ani na pohybu pozorovatele. Jste-li na lodi pohybující se rychlostí blízkou rychlosti světla a rozsvítíte-li svítilnu, bude mít světlo z ní vůči vám stále rychlost 299 792 458 m/s, i když se vaše loď pohybuje například rychlostí 200 000 000 m/s.

• 

Je tedy možné cestovat rychleji než světlo?

Stručná odpověď zní „ne“, této rychlosti mohou dosáhnout pouze objekty bez hmotnosti (nebo částice), jako jsou fotony. Je to proto, že objekt, který se blíží rychlosti světla, získává hmotnost, která má tendenci k nekonečnu, a proto bude potřebovat nekonečně mnoho energie, aby se mohl dále pohybovat.

Pro pochopení této logiky si stačí uvědomit, že hmotnost a energie objektu jsou vzájemně propojeny. Jeden příklad za všechny (jednotky energie jsou v megajoulech): Objekt o hmotnosti 1 kg při rychlosti 299 792 457 (jen o 1 m/s méně, než je rychlost světla) by potřeboval kinetickou energii 1 100 275 103 679 943 MJ.

Je tedy zřejmé, že k cestování rychlostí světla je zapotřebí mnohem více energie, než kolik mají tyto objekty v poměru ke svým hmotnostem. Kosmická loď by samozřejmě k cestě nevyužívala energii své vlastní hmotnosti, ale energii paliva. Proto je výpočet složitější, ale obecně platí, že kosmická loď by měla příliš velkou hmotnost na příliš málo energie, která je k dispozici pro přemístění takovou rychlostí.

Pouze fotony jsou lehké (protože nemají hmotnost) a mají dostatečnou energii, aby se mohly pohybovat rychlostí světla. A možná si teď kladete otázku „odkud se bere energie fotonu“? Pokud částice nemá hmotnost, nemá ani vlastní energii. To znamená, že jeho energie, a tedy i rychlost, může vzniknout pouze jediným způsobem: „tlakem“.

Zdroj: canaltech.com