Nová divoká fyzikální teorie vysvětluje, proč je cestování časem nemožné

Světlo, které bezstarostně klouže naprostou prázdnotou vesmíru, urazí každou sekundu konstantní vzdálenost 299 792 458 metrů. Nic víc, nic míň. To vše se změní, když je tato elektromagnetická vlna nucena překonávat elektromagnetická pole obklopující kousky hmoty. Při průchodu touto bažinou se celková rychlost světla může relativně zpomalit.

Tento jev můžeme pozorovat při ohybu světla, které prochází sklenicí vody, nebo dokonce při oslnivém oddělování vln v duze. Fyzikové sice dokážou toto zpoždění popsat pomocí rovnic o světle a elektromagnetismu z 19. století, ale náhlou změnu rychlosti světla mezi různými prostředími zatím nedokážou dostatečně zachytit v mírách fyzikálních vln.

Trojice fyziků z univerzity v Tampere přišla s možným řešením tohoto problému, ale až poté, co přehodnotila některé poměrně zásadní principy týkající se postupu světelné vlny v čase a jediném rozměru prostoru.

„V podstatě jsem našel velmi elegantní způsob, jak odvodit standardní vlnovou rovnici v 1+1 rozměru,“ říká první autor studie Matias Koivurova, který nyní působí na univerzitě ve východním Finsku.

„Jediný předpoklad, který jsem potřeboval, byl, že rychlost vlny je konstantní. Pak mě napadlo: co když není vždy konstantní? To se ukázalo jako opravdu dobrá otázka.“ Rychlost světla – nebo zkráceně c – je univerzální mezní hodnotou pro informace pohybující se ve vakuu. Zatímco hmota může celkovou cestu částice účinně zpomalit, speciální teorie relativity říká, že tato základní vlastnost se skutečně nemůže změnit.

Fyzika si však někdy žádá občasný únik fantazie, aby prozkoumala nové oblasti. A tak Koivurova spolu se svými kolegy Charlesem Robsonem a Marcem Ornigottim odložili tuto nepříjemnou pravdu stranou a zvážili důsledky standardní vlnové rovnice, v níž může libovolná světelná vlna zrychlovat.

Zpočátku jejich řešení nedávalo příliš velký smysl. Teprve když přidali zpět konstantní rychlost jako referenční rámec, kousky do sebe zapadly.

Pošlete kosmickou loď do hlubin vesmíru vysokou rychlostí a její pasažéři budou vnímat čas a vzdálenost jinak než pozorovatelé, kteří jejich cestu sledují z dálky. Tento kontrast pochází z teorie relativity, která byla opakovaně úspěšně testována na nejrůznějších škálách.

Díky zarámování zrychlující se vlny na pozadí konstantní rychlosti světla vypadaly podivné efekty nového řešení standardní vlnové rovnice, které tým navrhl, stejně jako ty, které ukládá teorie relativity. Jejich zjištění mělo hluboké důsledky pro debatu o tom, zda se hybnost světelné vlny při přechodu do nového prostředí zvyšuje, nebo snižuje.

„Ukázali jsme, že z hlediska vlny se s její hybností nic neděje. Jinými slovy, hybnost vlny se zachovává,“ říká Koivurova. Bez ohledu na to, o jakou vlnu se jedná, ať už jde o elektromagnetické pole, vlnění na rybníku nebo vibrace po struně, je třeba do rovnice započítat opatření relativity a zachování hybnosti, protože nabývají rychlosti. Toto zobecnění mělo mít ještě jeden poměrně pozoruhodný, i když trochu neuspokojivý důsledek.

Ať už jde o naše neohrožené vesmírné cestovatele, kteří se přibližují k Alfě Centauri zlomkem rychlosti světla, nebo o jejich pozůstalé, kteří pomalu stárnou na Zemi, každému z nich tikají hodiny v čase, který je považován za správný. Tyto dva časy se mohou lišit v délce jedné sekundy, ale každý z nich je spolehlivým měřítkem plynutí let v jejich vlastním rámci.

Pokud všechny vlny také zažívají správný čas péčí relativity, tvrdí fyzikové, měla by mít jakákoli fyzika řízená vlnami přísný, časový směr. Takový, který nelze pro žádnou část jednoduše obrátit. Dosud byly rovnice řešeny pouze pro jediný rozměr prostoru (a času). Bylo by také třeba provést experimenty, abychom zjistili, zda tento pohled na vlny platí. Pokud ano, pak je naše společná cesta vesmírem skutečně jednosměrná.

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: opg.optica.org, space.com