Ano, to pravda je. Ale paradoxně i objekty s nenulovou hmotností se mohou pohybovat rychlostí světla, ale ne tak, jak bychom si mysleli. Takže, jak to vlastně je?

Začněme zlehka u sira Isaaca Newtona. Ten se hluboce zamýšlel nad tím, co je vlastně hmotnost [1]. Nakonec přišel s tím, že hmotnost je odpor těles ke změně svého pohybového stavu, například uvedení z klidu do pohybu [2]. To známe z dennodenní praxe – i malé úsilí stačí na popostrčení gauče, ale u auta se pěkně nadřeme. Proč? Auto je o dost těžší než gauč. Jinými slovy auto má větší hmotnost.

Problém je, že Newton neuvažoval tělesa, jejichž hmotnost by byla nulová. Proto jeho pohybový zákon F = m × a vede k problému (F – vektor výsledné síly, m – hmotnost tělesa, a – vektor zrychlení tělesa). Budeme-li mít nehmotné těleso, i nepatrné šťouchnutí způsobí zrychlení tělesa na nekonečně velkou rychlost [2]. To je ale problém, protože těleso pohybující se nekonečnou rychlostí musí mít nekonečně velkou kinetickou (pohybovou) energii. Ale tu není kde vzít! Situaci zachránil až Albert Einstein se svou speciální teorií relativity na začátku 20. století [3], když ukázal, že rychlost má svůj přirozený limit, který platí pro všechny objekty, tedy i ty nehmotné.

Teorie relativity říká, že není správně oddělovat čas a prostor (směry nahoru–dolů, doleva–doprava a dopředu–dozadu), ale že ve skutečnosti žijeme v tzv. časoprostoru. Všechny objekty, hmotné i nehmotné, se časoprostorem pohybují danou maximální rychlostí, kterou značíme c a která je přibližně rovna 300 000 km/s [4]. Tato obdoba maximální povolené rychlosti v silniční přepravě vede k zajímavým důsledkům.

Prvním důsledkem je, že čas utíká různě rychle podle toho, jestli se pohybujeme, nebo jsme v klidu. Vysvětlím. Protože právě sedím na gauči, moje rychlost prostorem je nulová. To ale podle relativity znamená, že můj pohyb časem (z minulosti do budoucnosti) se děje rychlostí c, protože časoprostorem se vždy musím pohybovat rychlostí c. Když po chvíli dostanu žízeň a půjdu se napít, co se stane? Najednou se začnu pohybovat prostorem s nějakou rychlostí. Jelikož, jak již víme, moje maximální možná rychlost časoprostorem je c, časem se najednou začnu pohybovat pomaleji, o velmi velmi málo, ale pomaleji. To znamená, že čas pro mě najednou neubíhá stejně rychle, jako když jsem byl v klidu. Odborně hovoříme o dilataci (natažení) času. Už asi tušíte, že když váš potomek za jízdy autem položí obligátní otázku „už tam budem?“, šlápnout na plyn je chyba, chce to naopak zpomalit!

Druhým důsledkem je rozdíl v pohybu těles podle jejich hmotnosti. Tak například, já jsem šedesátikilový cvalík, a tak můžu v klidu spočinout na gauči. Ale co když bych žádnou hmotnost v klidu (takové hmotnosti říkáme klidová hmotnost [5]) neměl? To bych pak ani chvilku neposeděl! Podle teorie relativity musejí být objekty s nulovou klidovou hmotností neustále v pohybu. Nulovou klidovou hmotnost mají fotony, elementární částice světla, které se pohybují prostorem rychlostí světla c. Ale jak už víme, maximální rychlost časoprostorem je také c, proto pro fotony čas neplyne, ale stojí.

To, že se foton nemůže zastavit, souvisí s následujícím: dosadíme-li nulovou klidovou hmotnost do veleslavného vztahu mezi hmotou a energií, z kterého plyne, že na každý kilogram hmoty připadá energie rovna 3×10¹⁶ joulů (E = m × c²; E – energie), vyjde nulová energie. Aby jakákoliv částice mohla existovat, potřebuje nějakou energii. Jelikož fotony existují, což víme například ze spektroskopických experimentů, musejí mít tudíž i nenulovou energii. Touto hledanou energií je energie související s jejich pohybem (kinetická energie) [6]. Kdyby se fotony zastavily, měly by nulovou energii a přestaly by existovat.

Když si to shrneme: všechny objekty bez ohledu na svou hmotnost se musejí pohybovat časoprostorem rychlostí světla c. Ale pouze objekty s nulovou klidovou hmotností se mohou pohybovat prostorem rychlostí světla, nicméně platí za to nehoráznou daň – nemohou nikdy zastavit! Na druhou stranu, pohybuje-li se objekt rychlostí světla, neplyne pro něj čas. To pak asi ten neustálý pohyb není až tak nesnesitelný. Tak všem hmotným povalečům zdar!

Pro Zeptej se vědce odpovídal Vítek