Rychlost světla/fotonu – diskuse

Při prohlížení grafu rychlosti fotonu na Obr. 2 se nejednomu hloubavému čtenáři s podivem zdvihá obočí, když vidí, že rychlost fotonu v blízkosti Slunce je větší než ve vzdáleném vzduchoprázdnu. Je přece známo, že dle speciální teorie relativity žádný objekt nemůže převýšit rychlost c0 světla ve vakuu. Jenže foton není „obyčejný“ objekt. Foton je „stavební kámen“ světla, foton je světlo samo a speciální teorie relativity předpokládá vakuum bez přítomnosti gravitačního pole.

Mluvíme-li o rychlosti světla c0, máme na mysli prostor bez gravitačního pole a zbaveného všech látkových prvků (atomů, molekul). Jaká je tedy rychlost světla (fotonu) v těchto podmínkách? Je to otázka, kterou si myslitelé kladli od nepaměti (…, Aristoteles, Galilei, Newton, Maxwell, Michelson …) a kladou si ji dodnes.

V roce 1983 Generální konference pro váhy a míry přijala pro soustavu SI (Système International d’Unités) základní jednotku délky (metr) definicí:
Metr je délka dráhy, kterou urazí světlo ve vakuu během časového intervalu 1/299 792 458 sekundy.

Konference tímto zároveň zafixovala rychlost světla c0 = 299 792 458 [ms–1] ve vakuu, a chtělo by se dodat, v nepřítomnosti gravitačního pole. K uvedené definici jednotky délky se přistoupilo, jelikož dnes umíme čas měřit s největší přesností (s nejistotou 8.10–15) ze všech měření fyzikálních veličin.
Jenže zafixovaná rychlost není ta, kterou naměříme s přístroji. Rychlost c je definovaná jako podíl ujeté délky trasy Δd za dobu Δt: c = Δd / Δt. Přesnost měření rychlosti se v průběhu dějin zvětšovala současně se zdokonalováním měřicích přístrojů. Jelikož měrná jednotka délky je dána výše uvedenou definicí Metru, zbývá už jen definovat základní měrnou jednotku času – sekundu.

Čas se odjakživa měřil hodinami založenými na periodicky se opakujícím jevu: oběh Země kolem Slunce, rotace Země kolem své osy, kmity kyvadla stařičkých hodin zvaných pendlovky atd. Dnes nejpřesnější jsou atomové hodiny, s kterými lze stanovit hodnotu sekundy s výše uvedenou mírou nejistoty. Jenže i tyto nejpřesnější hodiny podléhají vlivu gravitace, což znamená, že v okolí zemského povrchu se frekvence hodin a tedy i realizovaná sekunda SI mění s nadmořskou výškou, a to přibližně o 1,1×10–16 na jeden metr výšky. V silnějším gravitačním poli bude sekunda delší a atomové hodiny půjdou pomaleji [3].

Vraťme se nyní ke grafu rychlosti na Obr. 2 a představme si, že chceme měřit rychlost fotonu pomocí přístrojů umístěnými v blízkosti letícího fotonu u Slunce. Pro měření fotonem přeletěné délky Δd máme k dispozici metr podle výše uvedené SI definice. Pro měření doby přeletu Δt máme k dispozici atomové hodiny. Jelikož se hodiny nacházejí v silném gravitačním poli Slunce, hodiny tikají pomaleji a ukážou menší hodnotu Δt. V důsledku toho naměříme vyšší rychlost fotonu c = Δd / Δt než je jeho rychlost c0 v slabém, nebo v nepřítomném gravitačním poli, jak to ukazuje graf rychlosti na Obr. 2.

Atomové hodiny v blízkosti Slunce „tikají“ pomaleji, ale hodiny fotonu zde „tikají“ rychleji jak to znázorňuje graf rozdílu času hodin fotonu a Země na Obr. 2. Není v tom rozpor, jelikož každé hodiny, které realizují sekundu SI podle definice, ve skutečnosti vytvářejí svůj vlastní čas. Změnu rychlosti chodu hodin fotonu vlivem gravitace lze indikovat jenom pomocí posuvu spektrálních čar světla. Posuv spektrálních čar v gravitačním poli Země byl potvrzen experimentálně v roce 1960 [4]. Výsledky těchto experimentů konfrontujeme s grafy na Obr. 2 v kapitole Červený/modrý posuv spektra.

Copyright © 2019 Obecná teorie relativity.   Nová česká moderní a alternativní encyklopedie Wikina.   Založeno na šabloně Panorama od ThemocracyThemocracy