Problém rychlosti světla

Pro relativitu bylo klíčové odhalení konstantnosti rychlosti světla. Co to přesně je, bude prozrazeno později - teď se přenesme do minulosti a podívejme se, co si lidé o světle mysleli dříve a jak to nakonec dopadlo.

Nejdříve byla rychlost světla považována za nekonečnou, protože prostor je osvětlen z lidského pohledu okamžitě. Ale například Galileo Galilei zapochyboval a pokusil se měřit interval, za který světlo projde vzdálenost mezi dvěma kopci. Nezjistil samozřejmě nic určitého, ale aspoň bylo jisté, že tato rychlost nebude malá. Olaus Roemer byl roku 1675 už úspěšnější, když z pozorování zákrytů Jupiterových měsíců vypočítal 227 000 km/s, což je poměrně blízko skutečné hodnotě (téměř 300 000 km/s). Podobně jako Roemerovi vyšla rychlost i Jamesi Bradleymu roku 1728 při pozorování hvězdné aberace. Pozdější měření už se odehrávala na Zemi pomocí zrcadel a přesných přístrojů (Fizeau, Foucault, atd.); dnes je za rychlost světla ve vakuu považována hodnota 299 792,458 kilometrů za sekundu.

Nyní se začali lidé ptát, jak se vlastně světlo šíří. Je-li to proud nějakých částic (Newtonova emanační teorie) nebo snad vlnění (undulační teorie Christiana Huygense - rok 1690). Huygens považoval světlo za podélné vlnění jakési zvláštní substance - etheru (samo slovo ether pochází od Aristotela). Po pozorování ohybu světla (rok 1800), interference a polarizace (rok 1808) a po zavedení příčného vlnění Thomasem Youngem roku 1817 (čímž vysvětlil polarizaci) začínalo být jasné, že světlo je zřejmě opravdu vlnění. Roku 1850 změřil Léon Foucault, že světlo je ve vodě pomalejší než ve vzduchu, čímž se Newtonova částicová teorie světla definitivně zhroutila. Po objevu Maxwellových rovnic (1862) byly odvozeny vlnové rovnice elektromagnetického pole, jejichž rychlost vycházela stejná, jako už známá rychlost světla. Tak vyšlo najevo, že světlo je příčně kmitající elektrická a magnetická vlna, avšak stále zde zůstávala Huygensova myšlenka etheru jako prostředí, v němž se elektromagnetická vlna šíří. Záhy se však zjistilo, že ether do problému vnáší vážné potíže a protimluvy: s ním se ve vesmíru objevila výsadní vztažná soustava, ovšem nikdy se nikomu nepodařilo zjistit rychlost čehokoli vzhledem k ní. Ether nebyl nikdy detekován. Znamenalo to, že nezbývalo než si vybrat jednu soustavu, o jejímž pohybu vzhledem k etheru nic nevíme a tvrdit o ní, že je to ona, i když skoro určitě není. Dále nebylo jasné, prochází-li hmotná tělesa etherem bez odporu, nebo je jimi ether strhován. Ether měl být prostředí, v němž se světlo šíří a měl vyřešit otázku pohybu vzhledem k vlně, která se šíří ve vakuu, což bylo bez etheru velmi problematické: jak se můžu pohybovat vzhledem k takové vlně? to se pohybuji vzhledem k prázdnotě? Když jí letím naproti, blížíme se k sobě rychleji? A to letím naproti vakuu? Rychlost světla měla být vztažena vůči etheru, což by znamenalo, že pokud jsem v pohybu vůči etheru, bude rychlost světla vůči mě jiná. Tím bych mohl dosáhnout rychlosti světla a letět vedle světelného paprsku stejnou rychlostí jako on. Takovou bizarní podobu světla však nikdy nikdo nepozoroval a hlavně Maxwellovy rovnice žádné podobné řešení neobsahují. Nebylo tedy jisté, zda problémy, které si s sebou ether přinesl, vyvažují vyřešení problémů předchozích. Roku 1881 tedy Albert Michelson a Edward Morley učinili pokus, který měl ukázat, zda Země pluje etherem či ne. V podstatě měřili rozdíl rychlosti světla ve směru, kterým letí planeta Země prostorem a ve směru na něj kolmém. Rychlost světla by se totiž s rychlostí Země vůči etheru měla sečíst. Nic takového však nebylo zjištěno. Ukázalo se tedy, že ether buď neexistuje, nebo je tělesy dokonale strhován. Dokonalé strhování etheru všemi tělesy je však velice komplikovaný předpoklad, navíc změřená rychlost světla v pokusech nezávisí ani na rychlosti zdroje, ani na rychlosti pozorovatele. Ether se vůbec nijak měřitelně neprojevuje. Z těchto důvodů Einstein vyšel z představy, že žádné takové prostředí neexistuje. Že světlo nepotřebuje ether ke svému šíření a putuje vesmírem zcela samostatně. A především - že ani neexistuje nějaká výsadní vztažná soustava, ve které by se fyzikální zákony lišily od pozorování v ostatních soustavách. Jinými slovy, podle Einsteina vždy a všude platí stejné přírodní zákony. Tak byla vlastně bez pomoci etheru zodpovězena otázka pohybu vzhledem k vlně v prázdnu: vzhledem k takové vlně se vůbec nelze pohybovat - tedy její rychlost je pro všechny stejná. Ať už před ní prchám nebo jí letím naproti, vždy zaznamenám tutéž rychlost, protože světlo se nešíří žádným prostředím, ale jako samostatný objekt, pouze poslušný Maxwellovým rovnicím a ničemu jinému. Aplikujeme zde Galileiho princip relativity na elektromagnetické jevy: platí-li ve všech inerciálních soustavách stejné zákony fyziky, pak musí ve všech platit i stejné zákony elektrodynamiky. Pak ale musí být ve všech inerciálních soustavách stejná i rychlost světla, protože ta přímo plyne z těchto zákonů - z Maxwellových rovnic.

Co to přesně znamená, že rychlost světla je konstantní? Rychlost je většinou relativní, čili záleží na pozorovateli. Když sedím v jedoucím autobuse, tak vzhledem k autobusu jsem v klidu, ale vzhledem k silnici se pohybuji. Když se rozhodnu kráčet směrem k řidiči, moje rychlost chůze se sečte s rychlostí autobusu a já se vzhledem k silnici pohybuji samozřejmě rychleji, než autobus. To ovšem neplatí pro světlo. Když v tomto autobuse zasvítím baterkou ve směru jízdy, rychlost světla a autobusu se nesečtou a světlo se pohybuje stejně rychle vzhledem k autobusu i vzhledem k silnici... To je dost překvapivý závěr. Co z toho plyne však pořádně pochopil až Albert Einstein.

Historická poznámka: zajímavá je první reakce fyziků na tento objev. Skutečnost, že rychlost světla je vždy stejná, vedla Einsteina k dnes už samozřejmé myšlence, že zákony fyziky se při přechodu mezi soustavami nemění, ale vědci před Einsteinem se nehodlali vzdát etheru tak snadno. Tedy ether pro ně existovat nepřestal, ale aby se vysvětlil výsledek Michelson-Morleyho pokusu (a i dalších jevů, viz Pokusy se světlem), zavedli pojmy dilatace času a kontrakce délek nějaký čas před Einsteinem. Jejich matematické vyjádření bylo dokonce totožné s pozdějším Einsteinovým (samozřejmě - výsledky výpočtů musely souhlasit), ale byl tu jeden zásadní rozdíl. Pro ně byl stále ve vesmíru absolutní systém, ve kterém plynul správný čas a všechny soustavy v pohybu vzhledem k němu měly čas "špatný" - tedy dilatovaný. V tomto aboslutním systému měly fyzikální zákony zvláštní tvar. Pouze v klidu vůči této absolutní soustavě byly vidět správné délky předmětů - kdokoli se pohyboval, viděl vše zkresleně, tedy špatně. Ale problémy tak nezžmizely. Že nikdo nezjistil, který čas je vlastně ten správný, už bylo řečeno. Další bolístkou takové teorie je, že v ní Maxwellovy rovnice mají v každé vztažné soustavě jiný tvar. Proč by měly některé fyzikální zákony záviset na pohybovém stavu pozorovatele? Einstein jediný sebral odvahu a odstranil tu podivnou podmínku, že fyzikální zákony se mění v různých soustavách... něco takového mu připadalo příliš těžkopádné. Mnohem elegantnější pro něj byla myšlenka, že všechna pozorování a měření v jakékoli vztažné soustavě jsou rovnocenná. Že tedy dilatace času a kontrakce délek nejsou jen jakési kuriozity elektromagnetického pole, ale že platí zcela obecně pro všechny děje, včetně mechanických.