24. Čas a prostor
Zamysleli jste se někdy nad tím, co je to čas? Ten pojem intuitivně používá každý z nás, čas je cosi, co plyne, co postupně narůstá a nikdy neklesá. Za čas bychom mohli považovat například počet kroků konkrétního člověka. Takový čas by byl z dnešního pohledu značně nepravidelný a fyzikální zákony by byly zbytečně složité. Čas proto neodvozujeme od kroků kostelníka, ale za základ volíme poněkud periodičtější děje. Zpočátku to byla rotace Země, ale i ta se ukázala nepravidelnou. Dnes se za základ časomíry berou kmity atomů a nejpřesnější hodiny, které máme k dispozici, jsou atomové hodiny.
Odkud se ale bere čas a odkud se bere prostor, jeviště pro děje kolem nás? V rámci fyziky se názory na čas a prostor vyvíjely ve třech vlnách. První z nich je spjata s počátky mechaniky v 16. a 17. století, jejíž základy položili Galileo Galilei a Isaac Newton. Čas a prostor pro ně byly pevně dány, existovaly nezávisle na tělesech samotných a vně nich. Čas a prostor sloužil k popisu pohybu těles, ale samotná tělesa ho neovlivňovala. Stejně tak plynutí času a vlastnosti prostoru nezávisely na tom, odkud pohyby těles sledujeme. Dnes říkáme, že čas a prostor byly v počátcích mechaniky absolutní.
Druhou vlnu názorů přinesla speciální relativita Alberta Einsteina jako důsledek základního rozporu mezi klasickou elektrodynamikou a klasickou mechanikou. Podle klasické elektrodynamiky, kterou formuloval James Clark Maxwell v roce 1873, by se světlo mělo šířit vakuem vždy se stejnou rychlostí, a to nezávisle na rychlosti zdroje. To bylo v příkrém rozporu s mechanikou, podle které se rychlost šíření signálu musí sčítat s rychlostí pohybu zdroje. Následné experimenty potvrdily správnost elektrodynamiky. Albert Einstein se ujal nelehkého úkolu – upravit zákony mechaniky tak, aby byla v souladu s elektrodynamikou. Jeho úsilí bylo korunováno úspěchem v roce 1905, kdy vznikla už zmíněná speciální relativita. Cena za vyřešení problému byla obrovská. Délka pohybující se tyče závisí na souřadnicové soustavě, ze které se na tyč díváme. Stejně tak je na úhlu našeho pohledu závislá doba trvání nějakého děje. Vypijete-li v restauraci sklenici piva za 15 minut, bude se čarodějnici prolétající kolem vás na koštěti zdát, že to trvalo déle. Doba, kterou naměří, bude záviset na rychlosti, kterou letěla. A tak se jí může zdát, že jste svému oblíbenému nápoji holdovali třeba celou hodinu. Čas a prostor přestaly být absolutní.
Další, už poslední vlna názorů na čas a prostor na sebe nenechala dlouho čekat. Jde o obecnou relativitu Alberta Einsteina z roku 1916. Obecná relativita je zcela novou teorií gravitace. Podle ní každé těleso zakřivuje prostor a čas kolem sebe a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Planeta tedy neobíhá kolem Slunce proto, že by na ni působila gravitační síla, ale proto, že Slunce takto zakřivilo prostor a čas kolem sebe. Jak si představit zakřivení prostoru? Kolem těles neplatí zákony Eukleidovy geometrie. Vzpomeňte si na vzoreček pro výpočet plochy koule, podle kterého je plocha rovna 4πr2. Tento vzoreček platí jen v nezakřiveném prostoru. Kdybychom změřili plochu povrchu Slunce a z našeho vzorečku dopočetli poloměr, spletli bychom se o půl kilometru. Není to mnoho, uvážíme-li, že poloměr Slunce je 700 000 km, ale je to jasným důsledkem zakřivení prostoru kolem Slunce. A jak si představit zakřivení času? Hodiny položené na stole jdou jinak než hodiny souseda, který bydlí o patro výše. Země zakřivuje čas kolem sebe a v různých vzdálenostech od Země plyne čas různě. Čas ve vašem automobilu, kde máte polohovací systém GPS, jde jinak než na družici, se kterou vaše GPS-ka komunikuje. Kdyby se neprováděla oprava na zakřivení času, během 24 hodin by se udávaná poloha od skutečné lišila o plných deset kilometrů.
Právě obecná relativita s sebou přinesla zcela nový a revoluční pohled na podstatu času a prostoru. Každé těleso ve vesmíru přispívá k zakřivení času a prostoru, a tak se stává jejich spolutvůrcem. Tělesa sama vytvářejí prostor a čas. Bez nich by prostor a čas neexistoval. Obecná relativita zasadila poslední ránu absolutnímu času a prostoru a přinesla první vysvětlení mechanizmu jejich vzniku. Otázky typu: „Co bylo, když tady nebyl vesmír?“ najednou ztrácí smysl. Nebyl-li vesmír, nebyla zde tělesa, která by vytvářela prostor a čas. Nebyl tedy ani prostor, ani čas. Z hlediska obecné relativity se není na co ptát. Stephen Hawking kdysi dávno na otázku „Co bylo před Velkým třeskem?“ odpověděl slovy: „Byl zde Pánbůh, který připravoval peklo pro lidi, co se na takovéto otázky budou ptát.“ Byl by to krásný závěr našeho dnešního vyprávění, ale své poslední slovo ještě neřekla kvantová teorie. Takže třeba opravdu něco bylo, i když nic nebylo.