27.11.2014-02:11:00   |   Dušan Valent
#Kozmos
#Zbúrané mýty
#Kuriozity
Poznámka na úvod: Tento článok bol pôvodne zamýšľaný ako stručné predstavenie fyzikálnej kuriozity - tvrdenia, že pre fotóny, aj keď putujú celé miliardy rokov, z ich perspektívy neexistuje čas. Zo zdanlivo ľahkej úlohy sa ale vykľul zamotaný problém. Hoci v tejto podobe text nespĺňa pôvodnú úlohu - nadchnúť, pobaviť a poučiť, rozhodli sme sa ho napriek tomu publikovať. Keď už nie kvôli času, ktorý sme jeho príprave venovali, tak aspoň kvôli skutočnosti, že sme nenarazili na materiál, ktorý by zdanlivé rozpory v dostupných zdrojoch (ktoré tieto rozpory neadresujú) zrozumiteľne vysvetlil.





Zo špeciálnej teórie relativity vyplýva, že pre telesá, ktoré sa pohybujú rýchlejšie, sa plynutie času spomaľuje (jav známy ako dilatácia času). To znamená, že pre posádku hypotetickej kozmickej lode, ktorá by sa pohybovala rýchlosťou svetla, by putovanie z jedného konca našej galaxie na druhý trvalo presne 0 sekúnd. Pravda, pre nás na Zemi by to bolo o „čosi“ viac, zhruba 100-tisíc rokov.

Podľa viacerých populárno-náučných zdrojov (napr. TU, TU alebo TU) zo špeciálnej relativity vyplýva, že z perspektívy fotónu, teda častice, ktorá putuje rýchlosťou svetla, čas neexistuje. Fotóny sa teda (z ich perspektívy) rodia a zanikajú v rovnakom okamihu.

Lenže...
V skutočnosti je situácia zložitejšia. Dilatácia času vyplýva zo špeciálnej teórie relativity. Ibaže rovnice špeciálnej relativity sa týkajú hmotných častíc pohybujúcich sa pomalšie ako rýchlosť svetla. Nemožno z nich teda nič vyvodzovať pre nehmotné, rýchlosťou svetla letiace častice ako fotón (podrobnejšie vysvetlenie príčin presahuje rámec tohto článku, ak vás ale zaujíma, nájdete ho napríklad TU).



Aby sme problém rozlúskli, opýtali sme sa naň fyzika Behrouza Yariho z Groningenskej univerzity. „Špeciálna relativita nie je kompletná teória. Ak sa pozriete na kvantovú teóriu poľa, čo je vlastne kombinácia špeciálnej relativity a kvantovej mechaniky, tieto problémy sa vytratia,“ hovorí Yari, podľa ktorého to možno veľmi jednoducho demonštrovať matematicky prostredníctvom tzv. spontánneho narušenia symetrií. Fyzik zároveň upozorňuje: „Ak chceme skutočne vedieť, ako vyzerá svet z pohľadu fotónu, musíme sa na problém pozrieť hľadiska z kvantovej teórie poľa, a to je celkom iný príbeh.“ Aký?

Podľa kvantovej teórie poľa každá častica nášho vesmíru „pláva“ tzv. Higgsovým poľom. Je to práve interakcia s ním, vďaka ktorej častice získavajú svoju hmotnosť. Silnejšia interakcia znamená väčšiu hmotnosť, slabšia interakcia menšiu hmotnosť a žiadna interakcia znamená, že hovoríme o fotónoch. Tie, keďže nijako neinteragujú s Higgsovým poľom, nemajú žiadnu hmotnosť* a nie sú viazané žiadnym obmedzením rýchlosti**). „Častice samé o sebe, teda bez interakcií s Higgsovým poľom, nemajú žiadnu hmotnosť,“ vysvetľuje Yari, „takže si môžete predstaviť podobnú dilatáciu času ako pre hmotné častice.“ Ďalej hovorí, že rýchlosť svetla je z matematického pohľadu podobná singularite – nedáva zmysel. „To neznamená, že tu nefungujú prírodné zákony. Znamená to, že naša matematika zatiaľ nie je dostatočne kompletná.“

Tvrdenie o fotóne, z perspektívy ktorého neexistuje čas, teda zdanlivo zostáva platné.

Lenže...

Súčasný (z ich perspektívy) vznik a zánik sa týka len fotónov, ktoré od momentu vyžiarenia do momentu absorbovania putujú vákuom. Pokiaľ časť svojej trasy prechádzajú napr. vodou alebo atmosférou, ich rýchlosť sa v mierne zníži. Predpoklad (z perspektívy daného fotónu) okamžitého zániku preto neplatí ani pre fotóny predierajúce sa celé tisícročia z vnútra hviezd, kde vznikajú. *** Princíp sa však podľa Yariho uplatní napríklad v prípade Hawkingovej radiácie čiernych dier alebo žiarenia, ktoré vzniká pri anhiláci hmoty a antihmoty.




-



Na záver pridáme ešte drobnú čerešničku. Nielenže takéto fotóny putujúce vo vákuu "nevnímajú" čas, rovnako nevnímajú vzdialenosť. „Z perspektívy fotónu je celý vesmír scvrknutý do jediného bodu priamo pred ním a on sa vôbec nehýbe,“ hovorí Yari. „Ale ako som povedal, ide o typ singularity a to v rámci teórie relativity z matematického hľadiska nedáva zmysel. Ale to je v poriadku, pretože relativita nie je úplná.“

-

Poznámky
*Na základe experimentálnych zistení a teoretických predpokladov je (pokojová) hmotnosť fotónu nulová. Niektoré zdroje ale fotónom prisudzujú tzv. relativistickú hmotnosť, ktorá uvádza hmotnosť telies na základe energie, ktorú obsahujú. Viac ku problematike hmotnosti fotónov nájdete TU.
**Prečo je rýchlosť svetla (z pohľadu vonkajšieho pozorovateľa) práve taká, aká je? Odpoveď, hoci neveľmi uspokojivá, znie: je to preto, že je to fundamentálna konštantna vesmíru. Pýtať sa, prečo je rýchlosť svetla presne taká, akú meriame, je ako pýtať sa, prečo nemáme dve namiesto troch priestorových dimenzií a pod.
*** Pokiaľ fotóny svoju existenciu začínajú v hlbinách hviezd, odtiaľ sa podľa pozemských hodín predierajú na povrch tisíce rokov. Deje sa tak viac kvôli ich cik-cakovitej trajektórii ako kvôli celkovému spomaleniu. Pravda, tvrdenie o „tisícročnom predieraní sa“ von z hviezdy taktiež nie je úplne presné. Fotón po vzniku v jadre hviezdy neexistuje ako samostatná častica putujúca k povrchu, ale je krátko po vzniku roztrieštený a jeho energia je takpovediac premiešaná s energiou iných fotónov. Prvé zlomky z energie fotónu sa tak dostanú na povrch po pár minútach, kým naopak, posledné zvyšky zostanú v Slnku do jeho zániku.



-

Obrázky: užívateľ wikimédie Forest Wander, NASA
Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok






Za podporu ďakujeme

Pridať e-mail