Máme pocit, že sekunda je sekunda všade vo vesmíre.

Jedna sekunda na Zemi, jedna sekunda v lietadle, jedna sekunda vo vesmíre.

Lenže podľa modernej fyziky to tak nie je.

Čas môže plynúť rôznou rýchlosťou.

A nejde o filozofickú myšlienku ani o sci-fi. Tento efekt bol opakovane zmeraný experimentmi a musí sa s ním počítať dokonca aj pri fungovaní GPS.

Za všetko môže Einsteinova teória relativity.

Čím rýchlejšie sa pohybujete, tým pomalšie vám plynie čas

Jedným z najzvláštnejších dôsledkov špeciálnej teórie relativity je takzvaná dilatácia času.

Ak sa objekt pohybuje veľmi vysokou rýchlosťou, čas preň plynie pomalšie v porovnaní s pozorovateľom, ktorý sa pohybuje pomalšie.

Pri bežných rýchlostiach je rozdiel prakticky nepostrehnuteľný.

Keď idete autom rýchlosťou 100 km/h, čas vám síce teoreticky plynie o nepatrne inú hodnotu než človeku stojacemu pri ceste, ale rozdiel je taký malý, že ho v každodennom živote nemáte šancu pocítiť.

Situácia sa začne meniť pri rýchlostiach blízkych rýchlosti svetla.

Predstavte si vesmírnu loď

Povedzme, že astronaut nastúpi do vesmírnej lode schopnej letieť rýchlosťou veľmi blízkou rýchlosti svetla.

Pre astronauta môže cesta trvať napríklad niekoľko rokov.

Keď sa však vráti na Zem, môže zistiť, že tu uplynulo omnoho viac času.

On zostarol o pár rokov.

Ľudia na Zemi mohli zostarnúť o desaťročia.

Tento myšlienkový experiment sa často označuje ako paradox dvojčiat.

Jedno dvojča zostane na Zemi, druhé cestuje vysokou rýchlosťou vesmírom.

Po návrate bude cestujúce dvojča mladšie.

Nie opticky.

Skutočne biologicky mladšie.

Ako je to možné?

Kľúčom je rýchlosť svetla.

Podľa Einsteinovej teórie zostáva rýchlosť svetla vo vákuu rovnaká pre všetkých pozorovateľov.

Aby fyzikálne zákony fungovali konzistentne, musia sa meniť iné veličiny.

Napríklad čas a vzdialenosť.

Čas teda nie je absolútny.

Závisí od pohybu pozorovateľa.

To bolo na začiatku 20. storočia úplne revolučné.

Newtonovská fyzika totiž pracovala s predstavou univerzálneho času, ktorý plynie všade rovnako.

Einstein túto predstavu rozbil.

Čas spomaľuje aj gravitácia

Rýchlosť však nie je jediná vec, ktorá dokáže ovplyvniť plynutie času.

Podľa všeobecnej teórie relativity to dokáže aj gravitácia.

Čím silnejšie gravitačné pole, tým pomalšie plynie čas.

Hodiny bližšie k povrchu Zeme preto tikajú nepatrne pomalšie ako hodiny vo veľkej nadmorskej výške.

Rozdiel je veľmi malý.

Ale dá sa zmerať.

Na vrchole hory starnete trochu rýchlejšie

Ak by jeden človek celý život býval pri hladine mora a druhý vysoko v horách, ich čas by neplynul úplne identicky.

Človek vo vyššej nadmorskej výške je o trochu ďalej od stredu Zeme a nachádza sa v o niečo slabšom gravitačnom poli.

Jeho čas preto plynie nepatrne rýchlejšie.

Rozdiel za ľudský život by bol extrémne malý.

Ale fyzikálne tam skutočne je.

GPS by bez Einsteina nefungovalo správne

Najlepším dôkazom toho, že relativita nie je iba akademická teória, je navigácia.

GPS satelity obiehajú Zem vo veľkej výške a vysokou rýchlosťou.

Ovplyvňujú ich preto oba relativistické efekty.

Ich rýchlosť spôsobuje, že ich hodiny idú o trochu pomalšie.

Slabšia gravitácia vo veľkej výške naopak spôsobuje, že ich hodiny idú rýchlejšie.

Výsledný rozdiel sa musí pri GPS neustále korigovať.

Bez týchto opráv by sa chyba navigácie postupne zväčšovala.

Telefón by vám mohol ukazovať úplne inú ulicu, než na ktorej skutočne stojíte.

Einsteinova fyzika teda doslova pomáha vášmu telefónu nájsť cestu.

Čo sa deje pri čiernej diere?

V blízkosti čiernej diery sa relativistické efekty stávajú extrémnymi.

Čierna diera má obrovskú gravitáciu.

Pre vzdialeného pozorovateľa by objekt padajúci smerom k horizontu udalostí vyzeral, akoby sa jeho pohyb postupne spomaľoval.

Svetlo prichádzajúce z objektu by bolo stále viac posunuté k červenej oblasti spektra a objekt by sa postupne strácal.

Pre človeka padajúceho do dostatočne veľkej čiernej diery by však jeho vlastný čas pokračoval normálne.

A práve tu sa ukazuje, aký zvláštny pojem čas vlastne je.

Neexistuje jeden univerzálny čas, na ktorom by sa zhodol celý vesmír.

Dá sa cestovať do budúcnosti?

Technicky áno.

A dokonca to už robíme.

Každý človek sa pohybuje časopriestorom a každý z nás smeruje do budúcnosti.

Relativita však umožňuje jednu zaujímavú vec.

Ak by ste cestovali obrovskou rýchlosťou alebo strávili určitý čas v mimoriadne silnom gravitačnom poli, mohlo by vám uplynúť menej času než ľuďom inde.

Po návrate by ste sa teda dostali do ich budúcnosti.

Takáto forma „cestovania časom“ fyzikálne nie je zakázaná.

Problémom je technológia.

Dostať veľkú vesmírnu loď na rýchlosť blízku svetlu by vyžadovalo absurdné množstvo energie.

Môžeme cestovať aj do minulosti?

Tu je situácia oveľa komplikovanejšia.

Niektoré matematické riešenia Einsteinových rovníc pripúšťajú veľmi zvláštne možnosti, napríklad červie diery alebo uzavreté časové krivky.

Neexistuje však dôkaz, že by bolo možné prakticky postaviť stroj času a vrátiť sa do minulosti.

Navyše by vznikali známe paradoxy.

Čo ak sa vrátite do minulosti a zabránite vlastnému narodeniu?

Fyzika zatiaľ nemá definitívnu odpoveď.

Prečo to všetko necítime?

Pretože naše každodenné rýchlosti a gravitačné rozdiely sú príliš malé.

Pri chôdzi, jazde autom alebo lete lietadlom sú relativistické efekty miniatúrne.

Naše zmysly ich nedokážu zachytiť.

Atómové hodiny však áno.

Vedci už mnohokrát porovnávali mimoriadne presné hodiny umiestnené v rôznych výškach alebo pohybujúce sa rôznymi rýchlosťami.

Výsledky súhlasia s Einsteinovými predpoveďami.

Čas nie je pevná kulisa vesmíru

Najväčšie prekvapenie relativity možno nespočíva ani v tom, že sa čas spomaľuje.

Oveľa zvláštnejšie je zistenie, že čas a priestor nie sú dve úplne oddelené veci.

Tvoria jeden celok nazývaný časopriestor.

Hmota a energia tento časopriestor zakrivujú.

A objekty sa potom pohybujú po tejto zakrivenej geometrii.

To, čo cítime ako gravitáciu, je do veľkej miery dôsledkom tejto geometrie.

Vaša hlava starne rýchlejšie než vaše nohy

A na záver jedna absurdne znejúca, ale fyzikálne správna myšlienka.

Keď stojíte, vaša hlava je o niečo vyššie v gravitačnom poli Zeme než vaše chodidlá.

Gravitácia je tam nepatrne slabšia.

Čas preto vašej hlave plynie o zanedbateľne malé množstvo rýchlejšie než vašim nohám.

Rozdiel nikdy nepocítite.

Ale existuje.

Takže keď niekto povie, že čas plynie každému rovnako, moderná fyzika má celkom jasnú odpoveď:

Nie. Nejde.