Před zhruba deseti lety se i mezi seriozními vědci objevily zprávy o pozorování pohybu částic, které překonávaly rychlost světla. Něco takového by však znamenalo převrácení běžných představ o příčinném působení v přírodě, a tudíž i o toku času.

Podle hongkongského fyzika Tu Šeng-wanga jde však o chybu pozorování. Jeho nejnovější měření zamítlo i představu, že by se nadsvětelnou rychlostí mohl pohybovat byť jen jeden jediný foton!

Zvěsti, které jsme si v posledních desetiletích zvykli slýchat z laboratoří či pracovních tabulí předních fyziků, řadu lidí utvrzují v tom, že ve světě fyziky je dnes „nemožné“ již zcela běžné.

O to zajímavější jsou nakonec všechny zprávy o tom, že některé zákony platí v přírodě zcela bez ohledu na to, zda popisují svět naší běžné zkušenosti, podivný svět elementárních částic či chování obrovských černých děr.

S potvrzením jedné z takových „základních“ pravd o vesmíru, tedy Einsteinova zákona, že nic se v přírodě nešíří rychleji než světlo, přišli nedávno čínští fyzikové. Tato zpráva dává zapomenout přinejmenším na jednu z hypotetických variant cestování v čase.

Einstein, Minkowski a dimenze navíc

Na čase je něco velmi divného. Zatímco v ostatních třech dimenzích můžeme cestovat všemi směry tam a zpět poměrně pohodlně, v čase taková volnost možná ani zdaleka není. Čas nejenže dovoluje cestování pouze jedním směrem, tedy „dopředu“ (směrem k nejbližší sekundě, hodině, dnu, roku atd.), ale nemůžeme si zvolit ani své vlastní tempo. V čase jako bychom se museli všichni společně pohybovat stejnou rychlostí.

Byl to právě Albert Einstein (1879–1955), kdo s vydatnou pomocí svého bývalého učitele z Polytechniky v Zürichu, matematika Hermanna Minkowského (1864–1909), poprvé použil magické slůvko „časoprostor“.

Od té doby (tj. od roku 1908) tvoří čas neoddělitelnou součást vícerozměrných geometrií, na jejichž hřišti je dnes hrána prakticky každá fyzikální teorie. První úvahy německých velikánů o hlubokém propojení času a prostorových dimenzí otevřely cesty vědců ke spekulacím o tom, zda by přece jen nějaký ten skok v čase nebyl možný.

Teď a tady? Ale kde?

Ještě než se Einstein ponořil do budování celé nesmírně složité obecné teorie relativity, stihl již pořádně zahýbat tradičními představami o fungování světa ve své teorii speciální z roku 1905, pro kterou byl čtyřrozměrný geometrický kabátek původně ušit.

Asi nejdůležitějším důsledkem, který dokáže každý trénovaný fyzik zahlédnout ve změti rovnic speciální relativity, je to, že pojem „čas“ změnil v Einsteinově teorii svůj význam k nepoznání.

Díky intuici, kterou vedla práce předchozích matematiků, si totiž uvědomil, že hodinky každého z pozorovatelů vesmíru nejdou stejně rychle. Čím rychleji se vůči sobě budou pozorovatelé pohybovat (a přibližovat se tak rychlosti světla), tím pomaleji bude jednomu z nich čas plynout.

Není-li tedy společný čas, neexistuje tedy ani žádné „teď“, které by procházelo celým vesmírem naráz. Jak již napovídá název celé teorie, z času se stal relativní pojem.

Světlo jako neviditelná hranice

Speciální teorie relativity zná však jedno důležité omezení: rychlost světla. Tato rychlost musí být jednak konečná (byť nepředstavitelně obrovská ve srovnání s rychlostí i toho nejrychlejšího stroje), jednak stejná, tedy konstantní.

Jen tak dává speciální teorie relativity smysl jak z čistě matematického, tak i z fyzikálního hlediska. Kdyby totiž existovala rychlost, která je vyšší, než konstanta „c“ (tedy rychlost světla), začaly by se dít „nesmyslné“ věci.

Z hlediska jednoho pozorovatele by se totiž mohlo stát, že dříve než zpráva o příčině nějakého činu k němu dorazí zpráva o jeho důsledku. (Tedy asi jako kdybychom nejprve viděli člověka, jak se rozjíždí v autě a teprve poté, jak do něj nasedá).

Takovému převrácení pořádku příčin a následků můžeme vlastně bez větších problémů nazvat obráceným během času. První z řady nápadů, jak cestovat nazpět v čase, byl tedy na světě.

Nekonečnou energii nemáme

Mohl však Einstein vědět, že tomu tak v přírodě skutečně je? Odpověď je jednoduchá: Nemohl! Jeho úvahy však vedla matematika.

Podle výpočtů speciální relativity je totiž k urychlení čehokoliv na rychlost překračující rychlost světla zapotřebí nekonečné energie. A takovou zkrátka nikdo k dispozici nemá, a mít nemůže.

„Co když by však přece jen taková rychlost naměřena byla, byť jen u té nejnicotnější subatomární částice? Znamenalo by to vyvrácení správnosti speciální teorie relativity, která patří mezi ty nejlépe ověřené fyzikální teorie vůbec?

Nebo naopak potvrzení toho, že cestování v čase skrze překonání rychlosti světla je možné?“ ptají se vědci. Někteří v posledních letech takovou možnost začali připouštět. Ať už by pro budoucnost fyziky měla znamenat cokoliv.

Problematické „plivance“ černých děr

Na počátku 80. let minulého století byl totiž poprvé pozorován jev, který vešel do světa astrofyziky pod označení „nadsvětelný pohyb“ (superluminal motion).

Při detailním astronomickém pozorování obrovitých a vzdálených kosmických objektů, jako jsou radiové galaxie, kvasary, či dokonce mikrokvazary se postupně začalo objevovat něco pozoruhodného.

Proudy částic, za něž jsou pravděpodobně zodpovědné černé díry v jejich centrech, mířící z nich totiž jako by letěly rychlostí převyšující hodnotu konstanty „c“.

Jenže tvrdit něco takového o jevech, které od nás oddělují miliardy kilometrů i let, je v mnoha ohledech přeci jen poněkud troufalé.

Dnes již většina fyziků neváhá tento jev označit za „optickou iluzi“, a nebrat jej proto příliš vážně.  Vědci se proto snaží nevynechat jedinou příležitost k tomu, aby si porušení pravidla s tak závažnými důsledky pro celou fyziku ověřila v podmínkách mnohem věrohodnějších.

Jak si posvítit na světlo?

Aféra s pozorováním superrychlých proudů světla přicházejících ze vzdáleného vesmíru nebyla však jediným zčeřením vody v dlouho poklidném rybníčku pátrání po nejvyšší rychlosti. Asi před deseti lety došlo totiž k několika pozorováním, která jako by napovídala, že otázka hraniční rychlosti stále není vyřešena.

„Možnost cestování v čase byla znovu nastolena v momentě, kdy se z několika experimentů zdálo, že v jistém velmi specifickém typu média mohou optické pulsy putovat nadsvětelnou rychlostí,“ vysvětluje motivace práce svého týmu z katedry fyziky na Hongkongské vědecko-technologické univerzitě Tu Šeng-wang.

Přítomnost média namísto vakua tedy jako by rychlost nebrzdila, ale naopak zvyšovala. I tato původně senzační odhalení se však nakonec ukázala být pouze klamem, vizuálním efektem, způsobeným specifickými okolnostmi, za nichž světelný puls procházel skrze médium. Jedna otázka však stále zůstala nedořešena.

A co jeden jediný foton?

„Světelný paprsek, sestávající z miliard fotonů, rychlost světla zjevně nepřekročí. Ale co kdyby to dokázal jen jeden jediný „balíček“ světelného záření, jeden jediný foton?“, kladli si neodbytnou otázku hongkongští vědci.  I tuto, byť velmi krajní možnost, musí věda přeci jen ověřit.

Na Hongkongské vědecko-technologické univerzitě se tohoto úkolu zhostil tým z katedry fyziky vedený fyzikem Tu Šeng-wangem. A úkol to byl skutečně delikátní!

Jejich hlavní prací bylo soustředit se na tzv. „prekurzor“, tedy jakýsi první signál o dalším průchodu světelné vlny.

Jejich detailní práce však přinesla své ovoce. Ani tento fotonový prekurzor rychlost světla nepřekročil! „Náš výsledek ukončuje debaty o skutečné rychlosti informace nesené jedním fotonem. S velkou pravděpodobností poskytne dalším vědcům lepší obrázek toho, jak vlastně přenos kvantové informace vypadá.

V neposlední řadě však potvrzuje nejzákladnější zákon fyziky. Tedy to, že příčina se musí objevit dříve, než důsledek,“ libuje si nad výsledky Tu Šeng-wang.

Vesmírem po smyčkách i červí dírou

*Bylo by možné cestování v čase, kdybychom zapomněli na -fi (fiction) a zůstali v rámci sci-, tedy čisté vědy (science)?

*Na takovou otázku dokážou dnešní vědci předvést hned několik možných odpovědí, které přinejmenším na papíře či tabuli vypadají smysluplně.

*První a nejstarší z nich o cestování skrze překročení rychlosti světla věnujeme většinu článku.

*Z Einsteinovy další práce, z obecné teorie relativity, však vyplývá i další teoretická možnost, na kterou jako první upozornil jeden z největších matematiků 20. století, brněnský rodák německého původu Kurt Gödel (1906–1978).

*Zakřivenost časoprostoru totiž teoreticky nevylučuje možnost vytvoření uzavřených časových smyček. Zda však časoprostor může skutečně takovou vlastnost mít, nebylo zatím prokázáno.

*Dalším pozoruhodným důsledkem Einsteinových rovnic je i teoretická možnost existence „červích děr“ (wormholes). Tyto „tunely v časoprostoru“, tak dobře známé divákům sci-fi, které připouští matematika, by přinejmenším teoreticky umožňovaly cestování rychlostí přesahující rychlost světla. Žádný důkaz o jejich existenci se však nenašel.

Jak je důležité míti foton

Jen málokterý člen dnes již velmi početné „zoo“ elementárních částic měl takový vliv na další rozvoj fyziky, jako foton. Tato částice měla totiž „štěstí“, že je nositelem elektromagnetické interakce, jejímiž vlastnosti se zabývá jedna z velmi tradičních fyzikálních disciplín, optika.

Objev a zkoumání jeho vlastností pak přispělo nejen k prudkému rozvoji této disciplíny, ale i k poznání řady zákonitostí kvantového světa.

K jeho objevu přispěli největší měrou dva velcí němečtí fyzikové ½ 20. století, Max Planck (1858–1947) a Albert Einstein, kteří tak položili základní kameny rodící se kvantové fyziky. Einsteinova vědecká dráha se dále ubírala jiným směrem, štafetu poznávání vlastností fotonu převzala řada kvantových fyziků, aby se nakonec stal součástí nejuznávanější teorie o povaze subatomárního světa, tzv. „standardního modelu“.

V rámci standardního modelu je foton popisován jako částice se spinem 1. (spin = kvantová vlastnost elementárních částic, jejíž ekvivalent klasická fyzika nezná. Jde o vnitřní moment hybnosti částice).

Patří tedy mezi bosony (částice s celočíselným spinem), neboli nositele interakcí. Vlastnosti světla a dalších typů elektromagnetické vlnění (např. radiových vln, infračervených paprsků, paprsků gama a dalších) je určeno základními vlastnostmi fotonu:

jeho nulovou klidovou hmotností a také tím, že se chová jak jako částice, tak i jako vlna.

Tachyony a Borgové

*Každý správný milovník seriálu Star Trek zná jméno největšího nepřítele. Ano, jsou jimi kyborgové z kvadrantu Delta, Borgové.

*K řadě vynálezů, díky nimž je jejich technologická a zcela cituprázdná civilizace tak nebezpečná zbytku vesmíru, je i tzv. transwarpový pohon umožňující lodím Borgů překonávat obrovské vesmírné vzdálenosti rychlostí, která výrazně převyšuje rychlost světla.

*Proč však v seriozním časopise zmiňujeme fantazie tvůrců sci-fi seriálu?

*Fantastický transwarpový pohon totiž využívá tzv. tachyonových pulzů.

*A co že to vlastně ten tajemný tachyon je?  Jedná se o hypotetickou subatomární částici, která se pohybuje rychlostí větší, než je rychlost světla (tachys = řecky rychlý).

*Tyto částice nevznikly jen jako prostá fantazie, ale byly původně součástí seriozních fyzikálních teorií.

*Dnes se od jejich zapojení do teorie upustilo, protože nejsou třeba k vysvětlení žádného známého fyzikálního jevu.

*Porušování kauzality, které by jejich zavedení znamenalo, také uším většiny fyziků příliš nelahodí.