Nadsvětelná rychlost

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Nadsvětelná rychlost (v angličtině je rozšířená a i v českém prostředí občas užívaná zkratka FTL z faster than light - rychlejší než světlo) je rychlost větší než rychlost světla (ve vakuu), jež činí z definice 299 792 458 metrů za sekundu. To je podle současného vědeckého poznání prezentovaného Einsteinovou teorií relativity nejvyšší rychlost, kterou lze přenášet jakoukoli formu informace. Hmotná tělesa této rychlosti nemohou vůbec dosáhnout. Některé jevy se sice dějí nebo mohou dít rychleji (pohyby zdánlivých objektů, rozpínání vesmíru, kolaps vlnové funkce), ale ty nelze využít k přenosu informace nadsvětelnou rychlostí.

Byly však zpracovány mnohé teoretické koncepty připouštějící nadsvětelné rychlosti. Nadsvětelné rychlosti jsou také vděčnou rekvizitou uměleckého žánru science fiction, neboť umožňují vesmírné vzdálenosti zvládat v časech srovnatelných s časy při současných možnostech pozemského cestování.

Nadsvětelná rychlost ve fyzice[editovat | editovat zdroj]

Podle dosud nevyvrácené teorie relativity je rychlostí světla ve vakuu limitován jakýkoli přenos informace v prostoru, ať už prostřednictvím šíření silového působení nebo pohybem hmoty. Tzv. Lorentzova invariance, která z tohoto limitu vyplývá, je základem teorií interakcí v současné teoretické fyzice a doposud nebyla přesvědčivě vyvrácena žádným experimentem. Všechna předchozí pozorování nadsvětelné rychlosti pohybu hmoty či silového působení (např. nadsvětelné rychlosti u pohybu kvasarů a jiných vesmírných objektů) byla vysvětlena bez narušení principu maximální rychlosti.

Bylo však vypracováno mnoho teoretických koncepcí, které připouštějí nadsvětelný přenos informace či hmoty. Ve spojení se současně uznávanými zákony fyziky však zpravidla přinášejí logické rozpory, takže vyžadují podstatnou revoluci ve fyzikálním chápání světa. Pro hypotetickou částici pohybující se nadsvětelnou rychlostí byl zaveden název tachyon.

Limitem rychlosti světla ve vakuu není omezeno mnoho jevů, u nichž dochází k nadsvětelné rychlosti – ta však není spojena s přenosem informace.

Nadsvětelná rychlost zdánlivých objektů[editovat | editovat zdroj]

Nadsvětelnou rychlostí se může pohybovat např. hranice stínu objektu, který je mnohem blíže zdroji než stínítku. Totéž platí i pro rychlost světelné stopy paprsků z otáčejícího se zrcátka (tzv. prasátka) na velmi vzdáleném stínítku. V obou případech dochází k přenosu informace ve směru paprsku, kdežto pohyb stínu či prasátka po stínítku s takovým přenosem spojen není a proto není limitován. Dalším často uváděným příkladem zdánlivého objektu je vzájemný pohyb hrany dvou dlouhých tyčí (hranolů), které jsou vůči sobě přibližně rovnoběžné: Bude-li se jedna z nich pohybovat po druhé kolmo ke svému nejdelšímu rozměru, může se průsečík jejich hran pohybovat nadsvětelnou rychlostí.

Nadsvětelná rychlost v kosmologii[editovat | editovat zdroj]

Nadsvětelnou rychlostí se mohou pohybovat 2 stacionární objekty v rozpínajícím se vesmíru. V tomto případě se totiž nejedná o pohyb hmoty v prostoru (přesněji vůči prostoru), ale s rozpínajícím se prostorem. Takovéto nadsvětelné rozpínání je základem teorií vesmírné inflace, používaných ke zdůvodnění pozorovaných vlastností vesmíru.

Nadsvětelná rychlost v prostředí[editovat | editovat zdroj]

Světlo, prostupující se nějakou látkou, se pohybuje pomaleji, než je rychlost světla ve vakuu, a to v poměru indexu lomu této látky. Urychlené částice se pak v takovém prostředí mohou pohybovat rychleji, než je rychlost světla v tomto prostředí, byť se pohybují pomaleji, než je rychlost světla ve vakuu. Důsledkem je jev zvaný Čerenkovovo záření.

Nadsvětelnou rychlostí se může v prostředí pohybovat i samo světlo – je však potřeba důsledně rozlišovat, o jakou rychlost se jedná. Fázová rychlost (tj. rychlost šíření fáze intenzity elektrického pole) vzhledem k disperzi může dosahovat nadlimitních hodnot – nepředstavuje však skutečnou rychlost šíření informace a je proto obdobou rychlosti zdánlivých objektů. Rychlostí šíření energie je tzv. grupová rychlost. I ta může v blízkosti frekvencí tzv. anomální disperze převýšit rychlost světla ve vakuu.[1] Při těchto frekvencích však dochází k velké absorpci světla, která prakticky znemožňuje průchod světla. Úplné vysvětlení s průkazem, že princip maximální rychlosti není narušen, podali v r. 1914 Arnold Sommerfeld a Léon Brillouin: Důležitá pro přenos informace je v tomto případě rychlost čela vlny (vlnového balíku), tzv. rychlost signálu – ta však zůstává vždy menší než rychlost světla ve vakuu.[2]

Nadsvětelná rychlost v kvantové fyzice[editovat | editovat zdroj]

Podobná situace nastává v případě tzv. kvantového tunelování. I zde byly prokázány nadsvětelné rychlosti,[3] ale vzhledem k utlumení tunelovaného signálu se ukazuje, že detekovatelný signál přichází ve skutečnosti později, i když využívá nadsvětelné rychlosti protunelování.

Nadsvětelnou rychlostí se šíří tzv. kolaps kvantového stavu – kdy se při měření kvantová superpozice všech možných kvantových stavů změní na stav odpovídající konkrétní hodnotě naměřené veličiny. Tato změna nastává podle současných představ okamžitě v celém prostoru, což podpořily i experimenty potvrzující tzv. EPR paradox, dle iniciál fyziků Einstein, Podolsky, Rosen. Ti navrhli myšlenkový experiment, ve kterém se na jedné z entanglovaných dostatečně vzdálených fotonů provede měření polarizace (které bude spojené s kolapsem kvantového stavu) a poté u druhé částice změřena polarizace dříve, než by k ní dorazilo světlo ve vakuu od první částice.[4] Experimenty, reálně prováděné kvůli vysoké náročnosti až od 70. let minulého století, se stále vyšší spolehlihlovostí prokazují, že kolaps kvantové superpozice stavů se šíří rychleji, než rychlost světla ve vakuu.[5] Ani zde se však nejedná o šíření informace a tedy ani o rozpor s principem maximální rychlosti.

Domnělá nadsvětelná rychlost neutrin[editovat | editovat zdroj]

Při pokusech v rámci experimentu OPERA byla jednomu druhu neutrin (tzv. mionovým neutrinům) naměřena nepatrně nadsvětelná rychlost.[6] Vzdálenost 731 km z evropského střediska CERN ve Švýcarsku do italského podzemního detektoru v Gran Sasso překonala neutrina podle měření o 60 nanosekund rychleji, než kdyby letěla rychlostí světla. Přesnost měření přitom vědci spočítali na 10–15 nanosekund. Tento výsledek by byl ve sporu se současnými představami relativistické fyziky,[7] a proto se hledaly chyby experimentu, které by umožnily jeho vyvrácení. Jedna možná technická chyba mohla spočívat v oscilátoru používaného k tvorbě časových značek pro synchronizaci GPS, druhá v časové kalibraci připojení optického vlákna privádějícího externí GPS signál k řídícím hodinám,[8] jako potenciální metodická chyba byla zkoumána nesprávná relativistická synchronizace hodin.[9][10] Sesterský experiment ICARUS, hledající energetické projevy nadsvětelných neutrin, žádné nezaznamenal,[11][12] a novým měřením rychlosti neutrin v r. 2012 vyvrátil její nadsvětelnost.[13][14] Nakonec v r. 2012 i tým OPERA potvrdil po revizi a započtení přístrojových vlivů nesprávnost předchozích výsledků.[15]

Nadsvětelná rychlost v literatuře, filmu a televizi[editovat | editovat zdroj]

Kromě spekulací v teoretické fyzice se hypotetickými způsoby, jak dosáhnout přepravy nebo komunikace nadsvětelnou rychlostí, zabývá zejména science fiction. Mezi takové fiktivní technologie patří cestování hyperprostorem, warp, teleportace apod., využívány jsou i přírodní nebo umělé červí díry.

Podsvětelná rychlost[editovat | editovat zdroj]

Rychlost pohybu, která je menší než rychlost světla se označuje jako podsvětelená rychlost. Všechny pohyby hmotných částic jsou podsvětelné.

Rychlost pohybu, která je rovna rychlosti světla, se označuje jako světelná rychlost.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. Stratton J. A.: Electromagnetic theory, McGraw-Hill, New York 1949. Český překlad Teorie elektromagnetického pole, SNTL, Praha 1961. Kapitola 36.2.
  2. Brillouin, Léon. Wave Propagation and Group Velocity (Academic Press, 1960)
  3. Stürzt Einsteins Dogma?, Wissenschaft.de, 1. srpna 1997 (německy)
  4. A. Einstein, B. Podolsky, and N. Rosen, Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Phys. Rev. 47 777 (1935) (anglicky)
  5. EPR paradox, Bell's theorem and entanglement at a distance: Experimental answers
  6. LÁZŇOVSKÝ, Matouš. Záhadný výsledek: částice rychlejší než světlo popírají Einsteinovu teorii. iDnes [online]. 2011-09-22 [cit. 2011-10-01]. Dostupné online.  
  7. Vladimír Wagner: Překračují neutrina mezní rychlost světla?, O.S.E.L., 30. září 2011
  8. Nadsvětelnou rychlost neutrin má na svědomí špatně zapojený kabel, O.S.E.L., 23. února 2012
  9. Ronald A.J. van Elburg: Time-of-flight between a Source and a Detector observed from a Satellite, ver. 2, arXiv, 13. října 2011 (anglicky)
  10. Special relativity may answer faster-than-light neutrino mystery, PhysOrg, 17. října 2011 - popularizační článek k předchozí referenci (anglicky)
  11. ICARUS Collaboration: A search for the analogue to Cherenkov radiation by high energy neutrinos at superluminal speeds in ICARUS, arXiv, 17. října 2011 (anglicky)
  12. Hamish Johnston: Subluminal neutrino news from Italy, PhysicsWorld, 19. října 2011 - popularizační článek k předchozí referenci (anglicky)
  13. ICARUS Collaboration: Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam, arXiv, 17. října 2011 (anglicky)
  14. 'Faster-than-light' particles fade after cross-check, PhysicsWorld, 16. března 2012 - popularizační článek k předchozí referenci (anglicky)
  15. OZAWA Harumi: Einstein was right, neutrino researchers admit, PhysOrg, 8. června 2012 (anglicky)

Související články[editovat | editovat zdroj]