Nadsvětelná rychlost a obrácení směru času? Jak prosté, milý Watsone.

"Povídá se", že se při nadsvětelné rychlosti obrací směr času. Dosadíme-li ji ale do vzorců speciální teorie relativity, dostaneme čas imaginární. Tachyony jsou velká záhada. Vše jde ale vysvětlit jednoduchým způsobem.

Dnes předvedeme velmi prosté vysvětlení (komplikovat to budeme jen na konci blogu, který můžete vynechat). V příštím blogu se k tématu vrátíme. Začneme u rychlostí menších než je rychlost světla. K tomu máme připraven obrázek, na kterém si vše vysvětlíme (viz níže). Situace na něm znázorněná ukazuje pistoli, ze které se střílí ve směru pozorovatele, což je ta holka úplně vpravo (a za jejíž nakreslení děkuju DA).

Zkoumáme dvě události, a to výstřel a dopad kulky, který způsobí výbuch dynamitové nálože. V čase 1 dojde k výstřelu. Ten pošle kulku směrem k pozorovateli, ale zároveň vyšle i světlo z výstřelu. Okamžik 2 ukazuje chvíli, kdy kulka zasáhla dynamitovou nálož a ta vybuchla. Protože v tomto případě uvažujeme normální podsvětlenou rychlost kulky, jejíž pohyb je znázorněn černou šipkou, uletí kulka v časovém intervalu od události 1 k události 2 menší vzdálenost než světlo z výstřelu. Světlo je znázorněno v situaci 2 žlutou šipkou. Je tedy jasné, že světlo z výstřelu předběhlo kulku, protože je rychlost světla vyšší než rychlost kulky.

Situace 3 ukazuje, že světlo z výstřelu uvidí pozorovatel dříve než světlo z výbuchu způsobeném zásahem kulky. Nakreslené děvče tedy uvidí nejdříve výstřel a pak výbuch, což je přirozené, neboť výstřel je příčinou výbuchu a výbuch je jeho důsledkem. Pochopitelně, příčina přece předchází svému důsledku. Všimněme si jen, že pozorovaný časový rozdíl mezi příčinou a jejím důsledkem bude menší než "skutečný" časový rozdíl mezi nimi. Pozorovatel tedy uvidí děje o něco rychleji za sebou, než se ve skutečnosti staly.

Druhý obrázek (dole) znázorňuje situaci, kdy je kulka stejně rychlá jako světelný paprsek. Místo pistole si můžeme představit třeba laser a místo kulky pak laserový paprsek. Okamžik 2 pak ukazuje, že střela (laserový paprsek) zasáhne nálož ve stejném okamžiku, ve kterém k ní dorazí světlo z výstřelu. Pak ale pozorovatel v okamžiku 3 uvidí příčinu (výstřel) i její důsledek (výbuch) současně. Vzniká malý problém, že sledující už neuvidí, že příčina předchází následek, jak je tomu ve "skutečnosti". "Vše" se děje najednou, současně.

No a jak by to vypadalo, kdyby byla kulka rychlejší než světlo (obrázek dole)? Místo ní si představme "tachyonový laser". Nic takového sice (zatím?) neexistuje, neboť tachyony jsou jen hypotetické částice rychlejší než světlo, ale představit si ho můžeme. Kulka / tachyon bude rychlejší než světlo, čili k výbuchu dojde dříve než k náloži, spíše už k výbuchu, dorazí světlo z výstřelu. Světlo z výbuchu tak bude mít náskok před světlem z výstřelu, a proto pozorovatel uvidí nejdříve důsledek (výbuch) a pak teprve jeho příčinu (výstřel). Spatří tedy porušenou / obrácenou kauzalitu. Následek předchází svou příčinu.

Kdo si nechce komplikovat život, nechť tady skončí. Teď totiž uděláme filosofický rozbor situace, a to bude náročnější. A ještě velmi zjednodušený příklad výše zasadíme do složitějšího kontextu.

Jistě člověka napadne námitka, že ve skutečnosti kauzalita porušena nebyla, jen my to vidíme obráceně (v obráceném jevovém čase). Jenže skutečnost je právě jen to, jak my věci "vidíme". Skutečnost, která by byla nezávislá na našem pozorování, bychom totiž ani nemohli vidět! Jsme-li ještě ve vědě, v empirické vědě, nutně potřebujeme nějakou fyzikální interakci s objektem, který pozorujeme. Můžeme si v abstrakci namalovat obrázky jako ty 3 výše, kde jsme imaginární pozorovatel pozorovatele na obrázku a celé situace, ale takhle svět fyzikálně nikdy nespatříme. Je to jen představa, jak by situace vypadala, kdybychom ji mohli vidět něčím s nekonečnou rychlostí. Jenže nic takového není. Možná bychom takto mohli vidět situaci právě oněmi tachyony. (Jeden čínský experiment se pokusil změřit rychlost kvantové provázanosti, a zjistil, že je nejméně 10 000 x rychlejší než světlo. Nicméně neumíme provázaností přenášet informaci a někteří si myslí, že to vůbec nejde. Ale právě provázanost je něco fyzikálně prokázaného, co by se mohlo tachyonově chovat.) Existence tachyonů ale zatím není ani minimálně ověřena.

V současnosti můžeme tedy nejrychleji pozorovat paprsky světla, naše vnímaná skutečnost je tedy "světelná", tudíž je pro nás skutečné to, co vidí pozorovatel znázorněný na obrázku světlem. Není žádná absolutní skutečnost, skutečnost je vždy jen obraz světa pozorovaný určitou fyzikální interakcí!

Tento problém dokonce existuje i v samotné speciální teorii relativity. Einsteinova definice současnosti je totiž založena na imaginárním pozorování nekonečnou rychlostí, čímž milý Albert tak trochu vypadl z fyzikální empirické vědy. Efekty speciální teorie relativity (dilatace, kontrakce...) v té podobě, jak je Einstein popsal a jak se běžně vykládají, proto nejsou fyzikálně pozorovatelné (neumíme realizovat pozorování nekonečnou rychlostí), jak upozornili ve svých vědecký článcích Lampa (1924), Penrose (1959) a Terrell (1959). Podrobnější výklad najdete třeba v blogu Vidíme hvězdy v minulosti, nebo v současnosti? Skutečně pozorovaná podoba těles se pak řídí Terrelovými rotacemi a deformacemi a tělesa nevypadají jen zkrácená, jak si představoval Einstein, ale zkracují se, prodlužují se a i jinak se  deformuje jejich tvar.

Sám Einstein má ve svém článku K eletrodynamice pohybujících se těles vlastně dvě současnosti. Jednu, kterou jsme zmínili výše, tedy jakési pozorování imaginární nekonečnou rychlostí (ta může být prakticky realizována třeba pozorováním prostřednictvím kvantové provázanosti a pak může být správně) a "světelnou" současnost, tedy obraz světa, jak ho v daném okamžiku vidíme světlem. Paprsky světla mají konečnou rychlost, což způsobuje, že se k nám obraz okolních předmětů dostane se zpožděním. Einstein tuto světelnou současnost ve svém výše zmíněném článku z roku 1905 odmítl slovy: "Mohli bychom se zajisté spokojit s takovým ohodnocením událostí v čase, že pozorovatel nacházející se i s hodinami v počátku souřadnic, přiřadí událostem tu polohu hodinových ručiček, při níž k němu dospěje prázdným prostorem světelné znamení. Jak víme ze zkušenosti nedostatek tohoto přiřazení spočívá v tom, že není nezávislé na místě pozorovatele s hodinami. K praktičtějšímu stanovení dospějeme následující úvahou." A pokračuje definicí používající imaginární pozorování nekonečnou rychlostí. Světelnou současnost ale odmítá jen z důvodů praktických, nikoliv pro jejich fyzikální nekorektnost.

Albert má pravdu, že "světelná" současnost závisí na poloze pozorovatele, a dokonce závisí i na směru rychlosti pozorovaného objektu vůči pozorovateli. Kdybychom si třeba představili, že se kulka / laserový paprsek / paprsek tachyonového laseru na obrázcích od nás vzdaluje, pak bychom vždy viděli příčinu dříve než její důsledek, ať už by rychlost střely byla podsvětlená, světelná nebo tachyonová. Jen při zvyšující se rychlosti by docházelo k větší a větší "dilataci" času. Zatímco při přibližování by docházelo k většímu a většímu zrychlování času, při světelné rychlosti by se dělo vše najednou a při nadsvětelných rychlostech by všechny procesy běžely pozpátku. Při jiných úhlech pozorování, kdybychom situaci viděli nějak zboku, by se vše jevilo ještě jinak! A při příčném pozorování (z nekonečné vzdálenosti) bychom vše viděli tak, jak popisuje Einstein, a to i při pozorování světlem.

P.S.: A pokud jde o imaginární čas, který vypadne jako výsledek dilatace času, když do rovnice teorie relativity pro dilataci dosadíme nadsvětelnou rychlost, znamená to pouze to, že objekt opustil světelný kužel Minkowského prostoročasového modelu a pohybuje se v prostoru-podobné oblasti. Prostě není světlem pozorovatelný v rozumné podobě (viz obrácení kauzality). Viz obrázek Minkowského modelu výše.