Tato otázka musí být zodpovězena v rámci obecné teorie relativity, teorie nabízející dodnes nejpřesnější popis gravitace. Tato teorie sjednocuje koncepty prostoru a času, kterým všichni intuitivně dobře rozumíme, do abstraktnějšího konceptu čtyřrozměrného (3D+1D) geometrického rámce zvaného časoprostor. Naše realita popsaná v rámci časoprostoru se může zdát bizarní, protože prostor a čas se nyní mohou překvapivým způsobem vzájemně ovlivňovat.

Všechny fyzické objekty (fotbalový míč, planety, světlo) se pohybují v časoprostoru po lokálně přímých trajektoriích. „Lokální“ znamená na malé vzdálenosti, což by mohla být například pozemská laboratoř. Objekty pohybující se různými rychlostmi mají v geometrii prostoročasu jednoduše různé poměry „posunutí prostoru“ k „posunu času“. Tyto posuny se lokálně jeví pozorovateli jako přímé. Světlo se pohybuje v časoprostoru s konstantním poměrem prostorových a časových posunů nazývaných rychlost světla. Lokálně je rychlost světla vždy konstantní, přibližně 300 000 km/s, bez ohledu na vlastnosti časoprostoru obklopujícího pozorovatele.

Časoprostor lze ohýbat za přítomnosti koncentrace hmoty a energie, například v blízkosti Slunce, černé díry nebo galaxie. V tomto případě se trajektorie objektů v časoprostoru mohou na dlouhé vzdálenosti jevit jako zakřivené. Časoprostor naší sluneční soustavy je deformován Sluncem ve středu, což vysvětluje kruhový pohyb planet. Deformace časoprostoru způsobuje účinky dilatace (prodloužení) času charakterizované změnou vnímání toku času mezi pohybujícím se objektem a pevným pozorovatelem. Například hodiny, které nese cestovatel daleko od gravitačního pole naší sluneční soustavy, by běžely rychleji než hodiny, které zůstávají na Zemi. Tento efekt je vysvětlen zakřivením časové osy, čímž je celkový čas nelokálního posunu delší než doba přímky v plochém časoprostoru. S dilatací času musí počítat družice GPS, které cestují vesmírem, kde čas plyne o něco rychleji kvůli slabšímu gravitačnímu poli, kterému jsou vystaveny. Rozdíl je minimální, asi jedna nanosekunda za rok. Přesto se systém GPS spoléhá na extrémně přesné hodiny pro měření zeměpisné polohy pomocí triangulace. Jejich přesnost by byla snížena bez relativistických korekcí.

Dilatace času také vysvětluje, proč se světlo jeví jako zpomalené, když prochází pokřiveným prostoročasem, zatímco má lokálně konstantní rychlost. Nikdy se však nemůže zdát, že světlo cestuje rychleji než „rychlost světla“. Trajektorie rychlostí světla v časoprostoru jsou přímé, což již odpovídá nejkratší možné cestě mezi dvěma body v geometrii. To je geometrické omezení čtyřrozměrného prostoru, ve kterém žijeme.

Abyste tomuto konceptu lépe porozuměli, představte si, že někdo sjíždí z kopce a vy na něj koukáte shora. Když jede rovně dolů, jede svojí maximální rychlostí. Ale když se jeho směr jízdy vychýlí do strany, zpomalí se. Stejně jako u světla budete čelit dvěma omezením: nemůžete jet do kopce (zpět v čase) a vaše maximální rychlost je omezena úhlem sklonu (rychlostí světla).

Pro Zeptej se vědce odpovídal Benoit

Zdroje:

C.W. Chou, D.B. Hume, T. Rosenband, D.J. Wineland, Optical Clocks and Relativity. Science 329, 1630 (2010)

Sean M. Carroll, Spacetime and Geometry: An Introduction to General Relativity, Cambridge University Press (2019)