Při psaní těchto kratičkých laických exkurzů do záhadných odborných záležitostí fyziky nám pomalu ale jistě plyne čas. Takže nastal čas podívat se času na zoubek. Jak je to vlastně s tou dilatací času?
Nejprve si řekněme, že pan Einstein nám s dvojí teorií relativity, speciální a obecnou, předložil vlastně i dvě příčiny dilatace času. Ve speciální teorii relativity je dilatace relativistickým efektem, který vzniká v důsledku pohybu vysokou rychlostí, rychlostí blízkou rychlosti světla. V obecné teorii relativity je dilatace času jevem, zapříčiněným silným gravitačním polem. Ponechám stranou své naprosté nepochopení a zděšení z toho, že někdo předloží dva různé popisy světa doufaje asi, že jsou oba stejně platné a stejně relevantní, ač si místy odporují, a oba tedy pravdivé a relevantní být nemohou.
Dilatace času je ve speciální teorii vysvětlena na příkladu dvojích hypotetických světelných hodin. Zatím co jedny hodiny setrvávají v relativním klidu, druhé se řítí vesmírem rychlostí světla. Jak si představit světelné hodiny? Konkrétní konstrukční řešení je zanedbáno, jelikož se jedná pouze o hypotetické světlené hodiny. Paprsek světla se odráží mezi dvěma zrcátky, pohybuje se po dráze kolmé na odrazové plochy zrcátek, viz obr.1. Pohyb částic světla od prvního zrcátka k druhému a zpět k prvnímu zrcátku je zde označen za interval času. Einstein situoval světelné hodiny tak, že dráha paprsku je kolmá na dráhu pohybu „hodin“. Einstein nás přesvědčuje, že když se hodiny pohybují rychlostí světla po dráze s, mezi jednotlivými odrazy paprsku od zrcátek urazí paprsek světla delší dráhu nežli mezi zrcátky stojících hodin, neboť vyrazí-li paprsek od prvního zrcátka, z polohy A, pohybem hodin se druhé zrcátko vzdálí ze svého původního místa ve směru kolmém na pohyb paprsku letícího mezi zrcátky světelných hodin, do polohy A´, viz obr.2. Respektive pro pozorovatele pohybujícího se spolu s hodinami letí paprsek mezi zrcátky po nejkratší možné dráze, ale pro pozorovatele nacházejícího se v relativním klidu, mimo pohybující se hodiny, urazí paprsek světla delší dráhu. A protože nám je podsunuto, že rychlost světla je konstantní a pro oba pozorovatele stejná, údajně z toho plyne, že pro oba pozorovatele je časový interval různě dlouhý. Pozorovateli, nacházejícímu se v relativním klidu, se prý časový interval letících hodin prodlužuje, a z jeho pohledu jdou tedy pohybující se hodiny pomaleji. Protože nelze určit, kdo je v klidu a kdo se pohybuje, pozorují vlastně oba pozorovatelé daný jev u sebe navzájem.
Rozdíl ve vnímaných intervalech času není v tomto příkladě, domnívám se, způsoben dilatací času, ale špatně zvoleným intervalem času. Zvolím-li za interval času cos související s rychlostí pohybu, pak se s narůstající rychlostí bude zvolený časový interval prodlužovat. Z toho nelze vyvodit závěr o relativitě času a jeho dilataci v závislosti na rychlosti, jen jsme v tomto pokusu zvolili hloupý časový interval. Krom tvrzení o konstantní rychlosti světla nemáme žádného důvodu, a tedy nemáme vlastně žádný opravdu pádný důvod, domnívat se, že dojde ke skutečné změně v plynutí času.
Kdybychom jedno zrcátko nechali v klidu, druhé by se od prvního vzdalovalo rychlostí světla, mezi zrcátky by se opět odrážel paprsek světla, a udával tak interval času, divili bychom se asi, že se vzrůstající vzdáleností se prodlužuje interval času.
Kdybychom za interval času označili množství energie potřebné k uvedení vody ve varné konvici do varu, a pokaždé jakmile by bylo varu dosaženo bychom proces opakovali s tou samou konvicí a se stejnou vodou, která by nestačila vychladnout, asi bychom se divili, že s každým dalším pokusem se interval času zkracuje a dochází tak k fatální „kontrakci času“.
Kdybychom za interval času označili otočení kola o tři sta šedesát stupňů, pak bychom se jali kolo z nuly roztáčet stále větší silou, hle interval času se zkracuje, kdybychom pak náhodou padli vysílením a ponechali kolo vlastnímu osudu, tu by se interval času rázem prodlužoval, až by se čas zastavil úplně.
Kdybychom zrcátka v Einsteinových hypotetických světelných hodinách zaměnili za dvě stěny, a dráhu mezi jimi by tvořilo schodiště s jeden metr vysokými schody, po nichž by konstantní rychlostí světla běhal tvor T, došlo by zjevně při relativistické rychlosti nejen k dilataci schodů, ale dokonce i k dilataci metru, schod by totiž byl stále vysoký jeden metr, ale tento jeden metr by se vnějšímu pozorovateli jevil delší než jeden metr měřený u něj, v relativním klidu.
Kdybychom Einsteinovy světelné hodiny nahradili dvěma sloupky, prádelní šňůrou mezi nimi napnutou, dědečkovými trenkami, babiččinými bombarďáky a podprdami na šňuře pověšenými, došli bychom spolu s panem Einsteinem nepochybně ke zjištění, že s rychlostí pohybu dané soustavy dochází k dilataci trenek, bombarďáků a podprd. Když se po šňůře bude mezi sloupky pohybovat provazochodkyně, konstantní rychlostí, s dilatací prádelní šňůry musí nezbytně nutně dojít k dilataci času. Obávám se, že ve skutečnosti nedochází k fyzické změně ani u prádla, ani u šňůry, ani u provazochodkyně, její rychlosti pohybu nebo u času potřebném k přechodu po prádelní šňůře mezi sloupky. Prodloužení prádelní šňůry, prodloužení dráhy paprsku u světelných hodin, je výsledkem kalkulace s různými vstupními daty.
Ponechám stranou otázku, jak je možné, že dochází k dilataci času (konstantní rychlost na viděné delší dráze, když relativistickým jevem je právě kontrakce délek.
Nahraďme světelné hodiny hodinami s kyvadlem. Kyvadlo hodin se kýve z levé horní úvratě přes dolní úvrať po pravou horní úvrať a zpět. Tento pohyb je časovým intervalem. Budeme-li součástí stejné soustavy jako hodiny, kyvadlo pro nás koná právě ten pohyb zleva doprava a zpět, a potřebuje na to, řekněme, dvě sekundy. Z pohledu pozorovatele nacházejícího se mimo naší soustavu se otáčí planeta, a hodiny jsou jí unášeny vesmírem. Kyvadlo při pohybu z levé horní úvrati přes pravou horní úvrať zpět k levé horní úvrati vykoná dráhu několika desítek, stovek, možná tisíců kilometrů, přesto na to bude potřebovat zase právě jen dvě sekundy. Nevidím nejmenší důvod přistoupit na tvrzení, že v rychlostech blízkých rychlosti světla a při rychlostech světla tomu bude jinak jen proto, protože rychlost světla byla označena za konstantní a mezní, a proto, že za interval času je označen pohyb po dráze, která se v různých inerciálních vztažných soustavách jeví různě dlouhá.
Když na povrchu planety vystavíme přímou silnici, která bude spojovat výchozí město s cílovým městem, a mezi těmito městy pojede automobil, budeme moci spočítat, že automobil urazil vzdálenost sto kilometrů například rychlostí 100 km/h, a spotřeboval přitom šest litrů paliva, tedy šest litrů paliva na oněch sto kilometrů. Bude-li putování automobilu sledovat pozorovatel nacházející se mimo planetu, z jeho pohledu automobil od opuštění výchozího města po dosažení cílového města urazí vzdálenost mnohem delší, neboť se planeta otáčí kolem své osy. Zadává jiná vstupní data a ejhle, rázem mu vyjde naprosto odlišná rychlost vozidla, spotřeba, výkon motoru, vše bude jinak. Další pozorovatel z dostatečného odstupu započítá nejen otáčení planety kolem její osy, ale ještě i oběh planety kolem slunce. A zase dojde na přepočítání vzdálenosti, kterou automobil urazil od opuštění výchozího města po dosažení města cílového. Opět tu máme jiné výsledky rychlosti, spotřeby, výkonu... A tak bychom mohli pokračovat. Rozdíly jsou zjevné a zřejmé. Pozorovatel nacházející se v relativním klidu vůči Zemi by mohl trvat na tom, že došlo k nárůstu efektivity motoru automobilu a k nárůstu snad všech kvalit paliva. Můžeme se dohadovat, které výpočty jsou ty správné, nebo můžeme všechny ty údaje považovat zkrátka za relativní, a nebo se můžeme pokusit definovat důležité „veličiny“ tak, aby udávaly stejnou hodnotu pro všechny inerciální vztažné soustavy.
Mimochodem, pokud se na tachometr automobilu jedoucího rychlostí 100 km/h dívá jak pozorovatel nacházející se v jiné inerciální vztažné soustavě než jedoucí automobil a otáčející se zeměkoule, tak pozorovatel jedoucí automobilem, pro oba bude údaj věrohodný, pak je rychlost automobilu v obou inerciálních vztažných soustavách stejná a tedy konstantní. Pozorovatel nacházející se v jiné inerciální vztažné soustavě ale vidí automobil uhánět po mnohem delší dráze, než jakou překonává pozorovatel jedoucí automobilem. Že by nám ta dilatace času řádila i na našich udržovaných venkovských silnicích?
Hovořit o rychlosti světla jako o konstantní ve všech inerciálních vztažných soustavách je ale dosti mlhavé a zavádějící, nejen proto protože dokazujeme, že světlo se v různém prostředích pohybuje různou rychlostí, může-li být zpomaleno, nelze již vyloučit, že může být i urychleno, ale i proto, protože světlo je složeno z několika složek s různou frekvencí a vlnovou délkou. Je-li světlo vlněním, „řídí se“ stejnými fyzikálními zákony jako jiná známá vlnění. I světlo podléhá, alespoň předpokládám, jevu zvanému interference. Může-li se rychlost světla měnit v poměrně velkém rozsahu, není důvod domnívat se, že zůstává pro oba pozorovatele stejná, a tedy konstantní ve všech inerciálních vztažných soustavách. Myslím tím pozorovatele nacházejícího se v relativním klidu a pozorovatele pohybujícího se rychlostí světla a svítícího si na cestu. Je dost dobře možné, že oba pozorovatelé budou vnímat světlo o jiné vlnové délce a o jiné frekvenci.
Když se nám pak světlo zjeví v novém světle, a jeho rychlost nebude konstantní ve všech inerciálních vztažných soustavách, přestaneme strašit dilatací času. Můžeme pak směle předpokládat, že u letících Einsteinových hypotetických světelných hodin uvidíme, coby pozorovatel nacházející se v relativním klidu, jak paprsek při putování mezi zrcadly mění svou rychlost. V blízkosti zrcátek se bude pohybovat zdánlivě rychleji, než vprostřed mezi jimi. Byl by to stejný optický klam, který způsobuje, že se nám pohyb slunečního kotouče při východu a západu slunce zdá být rychlejší, než jeho pouť vysoko na obloze. Dráha paprsku mezi dvěma zrcátky pohybujících se světelných hodin pak nebude podobna klikaté čáře na obr. 3a), ale spíše křivce na obr. 3b).
Pokud se domníváme, že se efekty podobné Einsteinově dilataci času dějí jen při rychlostech blízkých rychlosti světla, pak se možná mýlíme. Představme si přímé, stovky kilometrů dlouhé železniční koleje. Ze stojícího vagónu kouká pan A směrem za pomalu se vzdalujícím vagónem, v němž cestuje pan B. S narůstající vzdáleností mezi oběma vagóny pozoruje pan A, jak se kolejnice přibližují k sobě a jak se vagón pana B zužuje. Stejný jev pozoruje pan B na vagónu pana A. Nazvěme to kontrakce železničních vozů vlakové soupravy, nebo více lidově: „smrskávání vagónů“. S případně zvyšovanou rychlostí pohybu vagónu pana B se zvyšuje rychlost, s jakou se pozorovaný vagón smrskává. Jistě je nám všem jasné, že k žádné skutečné kontrakci nedochází. Odborné diskuse o změnách konstrukce vagónů, aby smrskávání vydržely, by byla jistě zbytečná. Vyvozovat z tohoto „optického“ jevu závěry o smrskávání vagónů za daných okolností by bylo stejně nejapné.
Představme si, že pan A stojí u jednoho konce vysoké rovné zdi, v dálce stojí pan B u druhého konce téže dlouhé zdi. Je zjevné, že dílem perspektivy oba vidí vzdálený konec zdi jako nižší. Na obou koncích zdi jsou umístěny výtahy, které jezdí souběžně nahoru dolů, oba se pohybují stejnou rychlostí a nacházejí se vždy ve stejné výšce nad zemí. Pan A vidí v dálce jezdit výtah vzhůru po „kratším“ konci zdi. Předpokládá-li, že rychlost vzdáleného výtahu je stejná jako rychlost výtahu u něhož pan A stojí, a oba výtahy dosáhnou horní a dolní úvrati vždy za stejný čas, musel by předpokládat, že zeď je na obou koncích skutečně stejně vysoká. Rozhodne-li se ale, že za interval času označí právě pohyb výtahu z jedné úvrati do druhé, pak se klidně může domnívat, že zeď je v dáli skutečně tak nizoučká, jakou ji vidí, a že došlo nejenom ke scvrknutí časového intervalu, neboť výtah u pana B za jeden časový interval urazí o mnoho kratší vzdálenost než výtah u pana A, ale ještě k tomu i ke scvrknutí pana B. Pan B vidí totéž na vzdálené straně zdi, u níž stojí pan A. Co s tím? Tak teď aby jeden z nich začal přistavovat zeď rychlostí světla, a výtahy aby se také pohybovaly rychlostí světla, protože pak by podle pana Einsteina došlo k dilataci času, a změny času by se tak vlastně vyrušily.
Pokud se k sobě řítí pan A a pan B, každý z nich rychlostí poloviční rychlosti světla, pro pozorovatele P, nacházejícího se v relativním klidu vůči pohybujícím se pánům, se pan A a pan B řítí k sobě navzájem rychlostí světla. Stejnou rychlost vzájemného přibližování by pozoroval pan A i pan B. Již v této situaci bych očekával projevování relativistických efektů, neboť tato situace je vlastně stejná, jako kdyby jeden z pánů, například pan A, stál a druhý se k němu řítil rychlostí světla. Tedy již zde by se projevila údajná dilatace času. Co by se ale stalo, kdyby se k sobě pan A a pan B řítili, přičemž by každý z nich dosáhl rychlosti blízké rychlosti světla? V duchu Einsteinových teorií se máme domnívat, že pozorovatel P, nacházející se v relativním klidu vůči pohybujícím se pánům A a B, zjišťuje, že se k sobě oba pánové blíží zase pouze rychlostí světla, neboť vyšší rychlosti, dle mínění Einsteina, dosáhnout nelze, tedy se rychlosti pana A a pana B rázem přestaly sčítat, a inerciální vztažná soustava přešla na jiné fyzikální zákony. Pan A a pan B by shodně zaznamenali totéž, rychlost vzájemného přibližování by měřili jen jako rychlost světla. Z toho bychom asi měli vyvodit, že v takovémto případě, protože od vzájemného sčítání rychlosti dvou těles pohybujících se k sobě navzájem každé rychlostí poloviční rychlosti světla se se vzrůstající rychlostí rychlost změnit nemůže, je nejvyšší možnou dosažitelnou rychlostí poloviční rychlost rychlosti světla!
Kdyby pozorovatel P, nacházející se v relativním klidu vůči panu A, pozoroval světelné hodiny pana A, jenž se pohybuje rychlostí světla, spatřil by prý prodloužení intervalu času, a tedy onu dilataci času. Kdyby pan A vystřelil jedny světelné hodiny před sebe, a tyto by se od něj vzdalovaly rychlostí světla, pozoroval by u nich prodloužení intervalu času, a tedy onu dilataci času. Pozorovatel P by ji ale pozorovat nemohl, pro něho se rychlosti v soustavě pana A nesčítají, nevidí hodiny vystřelené panem A letět dvojnásobnou rychlostí světla, ale žádnou rychlostí, protože vyšší rychlosti než je rychlost světla dosaženo být nemůže. Kdyby pan A nevystřelil světelné hodiny, ale posvítil by si, tu by prý pan P pozoroval světlo od pana A vzdalovat se rychlostí světla, a to i přes to, že rychlostí světla se pohybuje pan A, ale rychlost paprsku světla je prý konstantní ve všech inerciálních vztažných soustavách. Připusťme pro tento příklad, že pan A přeci jen může vystřelit hodiny, a ty se od něho budou vzdalovat rychlostí světla. Představme si, že rychlost použitých hodin je konstantní ve všech inerciálních vztažných soustavách, jako je prý rychlost světla. Pro pana P by tedy hodiny pana A i jím vystřelené hodiny šly stejně rychle. Kdyby z hodin vystřelených panem A byly vystřeleny další hodiny, a ty by se od hodin vystřelených panem A vzdalovaly rychlostí světla, měl by pan A pozorovat i u nich další prodloužení intervalu času, další dilataci času, ale nebude, neboť v tu chvíli se i pro něj přestanou rychlosti sčítat, hodiny vystřelené z jím vystřelených hodin se nemohou pohybovat ani vůči jemu rychlostí dvojnásobnou rychlostí světla, jejich rychlost je konstantní. Zaplať pánbůh za to, protože kdybychom takhle vystřelili hodiny, z nich by byly vystřeleny hodiny, z těch další hodiny a tak dále, tak bychom u posledních hodin v dlouhé řadě museli pozorovat téměř zastavení času, a to by byla přeci hrůza. Nechtěl bych pak číst odborné články o tom, jaký dopad by to mělo na cestování v čase.
Z výše popsaného můžeme odvodit, že pokud se budeme pohybovat poloviční rychlostí světla a vystřelíme před sebe těleso, můžeme jej vystřelit maximálně rychlostí poloviční rychlosti světla. Ne proto, protože rychlost námi vystřeleného by snad byla konstantní jako je údajně rychlost světla, ale proto, protože při sčítání rychlostí údajně nemůže být dosaženo rychlosti vyšší než je rychlost světla. Poloviční rychlost rychlosti světla je v takovém případě mezní rychlostí. Ale my vlastně nevíme, zda se vůbec pohybujeme, takže klidně střílejme. A pokud poletíme, ale přitom bychom vlastně setrvávali v klidu, a vystřelíme, víme, že z vystřeleného tělesa již nevystřelíme nic letícího rychleji, než poloviční rychlostí světla. A pak je dostříleno. Možná bychom z toho, zda můžeme vystřelit těleso nějakou rychlostí mohli usuzovat, zda se nacházíme v klidu, nebo zda se pohybujeme, a jakou rychlostí se pohybujeme?
Nastane-li vůbec dilatace času dle speciální teorie relativity, a já o tom silně pochybuji, neboť nevěřím v konstantní rychlost světla, půjde více méně o jev rozdílu výpočtů na základě rozdílných vstupních dat. Tento jev ale nebude mít na aktéry fyzické důsledky.
A jak si teď stojí dilatace dle obecné teorie relativity? Tak to je, alespoň na první pohled, jiné kafe. Nicméně i zde je to jen a jen o volbě intervalu času. Dilatace času v silném gravitačním poli je dokazována atomovými hodinami, u nichž se v závislosti na „síle“ gravitačního pole mění rychlost (frekvence) kmitání atomů cesia. Rychlost kmitání atomů, a tady interval času, je ovlivňována silou gravitačního pole. Není proto divu, že s narůstající silou gravitace dochází k údajné dilataci času. Hodiny umístěné na povrchu Země jdou pomaleji než hodiny umístěné ve vysoko letícím horkovzdušném balónu. Obávám se, že dochází k ovlivnění činnosti hodin, ale nikoliv k dilataci času jako takového. Možná by věda měla k definici času přistoupit seriózněji.
Interval času můžeme zvolit třeba tak, že bude závislý na teplotě. Po vzoru Einsteinových slunečních hodin můžeme učinit dráhu částic světla závislou na výšce sloupce média v trubici teploměru. S narůstající teplotou tak poroste dilatace času, s klesající teplotou bude nastávat kontrakce času. Ve vesmíru nám tak čas bude plynout pomaleji než na povrchu planety.
Interval času můžeme zvolit tak, že bude závislý na atmosférickém tlaku, využijeme-li k měření času barometr. Také můžeme zvolit interval času tak, že bude závislý na obvodu balónku naplněného heliem. Čím výš se při svém letu bude balónek nacházet, tím větší bude jeho obvod, čas bude dilatovat. Nedej bože, aby nám pak v nějaké výšce čas vybouchl.
Za interval času můžeme zvolit kmitání paprsku světla mezi dvěma zrcátky světelných hodin, trvající od východu slunce do slunce západu. Umíte si asi představit, jaké divy se budou s časem dít, budete-li čas těmito hodinami měřit na různých místech planety.
A když se vrátíme ke starým dobrým přesýpacím hodinám, tu zjistíme, že i ony jsou závislé na gravitaci. Narozdíl od atomových hodin je na nich se sílící gravitací znát kontrakce času. Ve značné vzdálenosti od planety Země pak dojde k takové dilataci času, až se čas zastaví. Jedině kompenzací gravitační síly můžeme uvést čas opět do pohybu.
Snad je na těchto příkladech dostatečně vidět, že „dilatací času“ není změna plynutí času, ale změna v parametrech, v případě speciální teorie relativity, a změna v chodu hodin, v případě obecné teorie relativity. Že nedošlo ke změnám v plynutí času, platí pro přesýpací hodiny stejně jako pro hodiny atomové nebo pro hypotetické světelné hodiny. Vystavíme-li teoretický časoprostor na dilatujícím čase, pak bychom nutně museli přistoupit na to, že žijeme v kosmické žvýkačce, která se natahuje a zase smrskává podle toho, v jakém vztahu je pozorovatel k pozorované soustavě, na základě toho, kdo co pozoruje, na základě toho, pozoruje-li někdo. Teorie o dilataci času není příběhem o času měnícím své vlastnosti, je příběhem o člověku, který ani v jednadvacátém století není schopný nadefinovat čas. Ještě stále je pojem „čas“ zaměňován za pojmy „hodiny“, „chod hodin“ a „interval času“.
2021 ©