Otázka již není v tom, kolik kilometrů má světelný rok, ale naopak. Vědci nyní definují metrický systém založený na rychlosti světla.
Ze všech principů, které řídí vesmír, je jedním z nejvýraznějších, ale také nejobtížněji pochopitelných omezení rychlosti světla. Rychlost světla není jen neměnná konstanta: slouží jako spojovací článek mezi hmotou a energií, jak elegantně popsal Albert Einstein ve své nejslavnější vědecké rovnici: E=mc². Můžeme proniknout do samých základů naší vlastní existence, ale nemůžeme se pohybovat rychleji než „c“. Pouze světlo může za rok urazit vzdálenost jednoho světelného roku.
Definujme konstantu: rychlost světla.
Rychlost světla je klíčovým prvkem Einsteinových rovnic. Písmeno „c“ není jen číslo, ale převodní koeficient, který spojuje pojmy hmotnost (m) a energie (E). Jedná se o konstantu představující rychlost světla ve vakuu a také limit rychlosti šíření jakékoli informace, signálu nebo hmotné částice ve vesmíru. Pokud se nad tím zamyslíme, je to limit samotné kauzality: důsledek nemůže nastat, dokud ho nedosáhne příčina šířící se maximální rychlostí „c“.
Tato rychlost je stejná pro každého pozorovatele ve vesmíru, bez ohledu na stav jeho pohybu. Kdybyste letěli v hypotetické kosmické lodi rychlostí 99 % rychlosti světla a zapnuli baterku, paprsek baterky by se od vás vzdaloval přesně rychlostí světla, a ne rychlostí, která je jen malou částí této rychlosti. Jedná se o jednu z univerzálních fyzikálních konstant. Pozorování kosmického mikrovlnného pozadí, pozůstatku Velkého třesku, potvrzuje, že se již více než 13,8 miliardy let výrazně nemění.
Jaké rychlosti tedy světlo dosahuje? Jakkoli to může být podivné, rychlost světla ve vakuu má přesnou a určitou hodnotu: 299 792 458 metrů za sekundu. Jednoduše řečeno, je to téměř miliarda kilometrů za hodinu. Foton světla obletí rovník Země přibližně 7,5krát za sekundu. Podle speciální teorie relativity Alberta Einsteina je to maximální a neměnná rychlost ve vesmíru.
Epos o měření neměřitelného
Výpočet rychlosti světla se stal jednou z největších vědeckých ság. Po filozofických debatách ve starověkém Řecku a vynalézavém, ale neúspěšném pokusu Galilea použít lampy mezi vzdálenými kopci, se první odhady objevily v roce 1676. Při pozorování zatmění Io, jednoho z měsíců Jupitera, dánský astronom Ole Rømer si všiml, že jejich délka se mění v závislosti na ročním období. Došel k závěru, že to souvisí se zvýšením času potřebného světlu k průletu zemskou orbitu v závislosti na vzdálenosti naší planety od Jupitera. Rømer odhadl rychlost světla na 220 000 km/s, což je na tu dobu překvapivě přesná hodnota.
O půl století později, v roce 1728, anglický fyzik James Bradley upřesnil toto měření pomocí jiné metody: aberrace hvězdného světla. Všiml si, že viditelná poloha hvězd se mírně mění v důsledku orbitální rychlosti Země. Tento jev je podobný tomu, který pozorujeme, když běžíme a zdá se nám, že déšť padá pod úhlem. Na základě tohoto efektu vypočítal rychlost 301 000 km/s s odchylkou pouhého 1 %.
Teprve v roce 1887 objevili vědci nejúžasnější vlastnost rychlosti světla. Albert Michelson a Edward Morley se pokoušeli objevit „světelný éter“ – neviditelné médium, které podle tehdejších představ prostupovalo prostor a umožňovalo šíření světla. Pomocí svého experimentu doufali, že změří rozdíl v rychlosti světla v závislosti na tom, zda se pohybuje společně s „éterickým větrem“ vytvářeným pohybem Země, nebo pod jeho vlivem. Žádný rozdíl však nezjistili.
Někdy je vědecký pokrok dosažen ne objevem toho, co hledáte, ale přijetím důkazů, které zpochybňují zavedené přesvědčení. Tento neúspěch se stal jedním z nejdůležitějších výsledků v historii fyziky. Prokázal konstantnost rychlosti světla nezávisle na pohybu pozorovatele, vyvrátil teorii éteru a položil empirický základ pro revoluci, kterou později provedl Einstein.
Co je světelný rok a k čemu se používá?
Od roku 1983 přestala být rychlost světla předmětem výzkumu vědců, kteří se pokoušeli ji měřit s rostoucí přesností. Její hodnota byla stanovena s takovou přesností, že samotný metr je nyní definován pomocí světla. Metr je „délka dráhy, kterou světlo urazí ve vakuu za dobu rovnou 1/299 792 458 sekundy“.
Tato změna skrývá hlubokou pravdu: konstantnost rychlosti světla je fundamentálnější vlastnost našeho vesmíru než naše vlastní měrné jednotky. Už nepoužíváme metry k měření rychlosti světla, ale rychlost světla k definování metru. To vedlo k vzniku jedné z největších měrných jednotek, které používáme, a mělo to zásadní význam pro pochopení obrovských rozměrů vesmíru.
Navzdory tomu, že v názvu je slovo „rok“, světelný rok není měrnou jednotkou času, ale vzdálenosti. Zjednodušeně řečeno, světelný rok je vzdálenost, kterou světelný paprsek urazí ve vakuu za jeden pozemský rok, tedy za 365 dní. Vzhledem k neuvěřitelné rychlosti světla je tato astronomická vzdálenost asi 9,5 bilionů kilometrů.
Světelné roky používáme, protože vzdálenosti ve vesmíru jsou tak obrovské, že měřit je v kilometrech by bylo naprosto nepraktické. Například exoplaneta Proxima Centauri b, která je nejbližší Zemi, se nachází ve vzdálenosti asi 4,2 světelných let. V kilometrech by to bylo téměř 40 bilionů – číslo, které je mnohem obtížnější vnímat a zasadit do kontextu.
Jak vypočítat světelný rok v kilometrech
Pojďme si to vysvětlit postupně. Pokud je rychlost světla univerzální konstanta, proč je nutné vysvětlovat, že „c“ představuje rychlost světla ve vakuu? Protože ve skutečnosti jedno nevylučuje druhé. Světlo se šíří pomaleji, když prochází materiály, jako je voda (225 000 km/s) nebo sklo (200 000 km/s). Nejde o rozpor, ale o výsledek interakce světla s hmotou.
Světlo se skládá z bezhmotných částic zvaných fotony. Jednotlivé fotony se vždy pohybují rychlostí 299 792 km/s. Když však paprsek světla prochází hmotným médiem, jeho fotony jsou neustále pohlcovány a znovu vyzařovány atomy tohoto média. Každá z těchto interakcí způsobuje nepatrné zpoždění. Součet miliard zpoždění způsobuje, že efektivní rychlost světelné vlny je celkově menší než c.
Světlo je také elektromagnetická vlna. Při dopadu na médium elektrické pole vyvolává kmitání elektronů v atomech. Tyto kmitání zase generují vlastní elektromagnetické vlny. Původní vlna a vlny generované elektrony se navzájem interferují a vytvářejí souhrnnou vlnu, která se šíří pomaleji. Světlo se však šíří konstantní rychlostí: jeho zpomalení je způsobeno průchodem atomovým polem.
To však neznamená, že kosmický vakuum je ideální. Obsahuje volné elektrony a protony ve formě plazmy, rozptýlené atomy a molekuly, hlavně vodík a helium, mezihvězdný prach, stejně jako pozadí záření a magnetická pole. Jejich hustota je však velmi malá, takže se světlo šíří prostorem rychlostí velmi blízkou c. Proto se světelný rok počítá vzhledem k ideálnímu vakuu.
Světelný rok je vzdálenost, kterou světlo urazí za rok. Pokud nás ve škole něco naučili, pak to, že vzdálenost = rychlost × čas. Světelný rok se tedy počítá vynásobením rychlosti světla délkou zemského roku:
- Zaokrouhleně se světlo pohybuje rychlostí 300 000 km/s a rok má 365 dní. 365 dní × 24 hodin × 3600 sekund dá 31,6 milionu sekund. 300 000 km/s vynásobeno 31 600 000 sekundami dává vzdálenost asi 9,5 bilionů kilometrů.
- Pokud vezmeme přesnou rychlost světla (299 792,458 km/s) a zohledníme přestupné roky (365,25 dní), výsledek bude 9 460 730 472 581 km.
Kolik je světelný rok podle pozemských měřítek?
Světelný rok měří vzdálenosti tak obrovské, že ohromují naši představivost. Světlo potřebuje asi osm minut, aby překonalo vzdálenost od Slunce k Zemi. Pokud 150 milionů kilometrů, které nás dělí od Slunce, urazí za osm minut, za hodinu urazí 11krát větší vzdálenost; za den urazí 24krát větší vzdálenost; a za 365 dní, když sečteme všechny tyto vzdálenosti, urazí 9,5 bilionů kilometrů.
Tuto obrovskou vzdálenost nazýváme světelným rokem. Neodráží čas, ale vzdálenost k objektům ve vesmíru. K měření času v astronomii stále používáme roky, dny, sekundy a tak dále. Pro měření velmi velkých vzdáleností však pro větší přehlednost používáme světelné roky nebo parsek, jiné astronomické jednotky.
Stačí se podívat na noční oblohu, abychom pocítili nesmírnost vesmíru. Nejjasnější hvězdy jsou vzdáleny desítky světelných let. Při minimálním světelném znečištění můžeme také vidět galaxii Andromeda, nejbližší k naší galaxii Mléčná dráha, vzdálenou 2,5 milionu světelných let.
Světlo, které dopadá na naše oči, vzniklo v Andromedě v době, kdy na Zemi žili australopitéci, a poté prošla několik dob ledových. V jistém smyslu se při pohledu na noční oblohu díváme do minulosti. Čím dál se díváme, tím hlouběji do minulosti nahlížíme. Právě tak, pomocí našich nejvýkonnějších dalekohledů, jsme mohli vidět, co se stalo po Velkém třesku.
Nemůžete cestovat rychlostí světla.
Je možné pohybovat se rychlostí světla? Odpověď na tuto otázku se skrývá v jedné z nejznámějších fyzikálních teorií: Einsteinově speciální teorii relativity. Abychom to vysvětlili, musíme se vrátit ke kultovnímu vzorci E=mc², který spojuje rychlost světla se dvěma zcela odlišnými pojmy.
Pohyb objektu, který má hmotnost, vyžaduje energii. S rostoucí hmotností objektu roste i energie potřebná k jeho dalšímu pohybu. Slavný Einsteinův princip ekvivalence hmoty a energie říká, že energie a hmota jsou neoddělitelně spojeny.
Podle teorie relativity se relativistická hmotnost objektu s hmotností zvyšuje s tím, jak se zrychluje a blíží se rychlosti světla. Zrychlení objektu s nekonečnou hmotností by vyžadovalo nekonečné množství energie, což je prostě nemožné. Rychlost světla je mezní hodnotou rychlosti ve vesmíru.
Proč? Protože pouze bezhmotné částice v klidu, jako jsou fotony, se mohou pohybovat takovou rychlostí. Nemají-li hmotnost, nenarážejí na bariéru nekonečné energie a hmotnosti. Pro všechny ostatní z nás a pro jakoukoli kosmickou loď, kterou dokážeme postavit, zůstane rychlost světla nedosažitelným horizontem. Nic, co má hmotnost, ji nemůže dosáhnout. Je to rychlostní limit ve vesmíru.
