Článok v pdf

Náš svet podlieha istým zákonom, ktorými sa riadia všetky deje v živej i neživej prírode. Zvykli sme si na formulácie prírodných zákonitostí tak, ako ich poznáme zo školy či z kníh. Ale skúsili ste si niekedy položiť otázku: „Čo by bolo, keby...?“ Keby fyzikálne zákony vyzerali inak alebo keby hodnoty fyzikálnych konštánt boli odlišné od tých, ktoré sme sa učili v škole? Aký dopad by to malo na náš život a na fungovanie vecí okolo nás? Hľadanie odpovedí na takéto a obdobné otázky je veľmi užitočnou činnosťou, ktorá nám napomáha hlbšie pochopiť prírodné zákony a zároveň rozvíja našu tvorivosť a uspokojuje našu zvedavosť. Pozrime sa preto spolu na niekoľko takýchto otázok a skúsme nájsť odpovede.

Čo by bolo, keby bola rýchlosť svetla vo všetkých priehľadných materiáloch rovnaká?

Vieme, že rýchlosť svetla v ľubovoľnom prostredí v je vždy menšia ako rýchlosť svetla vo vákuu c. Pomer c / v = n nazývame index lomu svetla pre dané prostredie. Keby sa rýchlosť svetla v ľubovoľnom prostredí rovnala rýchlosti svetla vo vákuu, platilo by n = 1 . V podstate to znamená, že by nenastal lom svetla na rozhraní dvoch prostredí. Svetelný lúč, ktorý by prechádzal napríklad zo vzduchu do vody, by nemenil svoj smer. Lyžička v pohári s vodou by sa nám nejavila ako zlomená, vzdialenosť mince na dne bazéna od nás by sa nám nezdala menšia, ako je v skutočnosti. Z optického hľadiska by tu vlastne žiadne rozhranie nebolo, takže by nenastával ani odraz svetla. To znamená, že rieky a jazerá by sme nevideli, videli by sme iba dno. Ďalej môžeme povedať, že všetky optické prístroje by sa stali úplne bezcennými, pretože šošovky by nemali schopnosť zaostrovať či rozostrovať svetelné lúče. Takže by neboli nijaké ďalekohľady, mikroskopy, fotografické objektívy. Ďalej by neexistoval rozklad bieleho svetla hranolom na farebné spektrum (disperzia svetla). Tento rozklad je totiž založený na tom, že index lomu skla (resp. inej látky) je pre svetlo rôznych frekvencií (teda farieb) rôzny, a my skúmame, čo by sa dialo, keby bol index lomu vždy rovnaký. To znamená, že by sme nemohli pozorovať dúhu. Taktiež by prestali fungovať všetky spektrometre a spektrografy. Nastali by zmeny v rôznych javoch v prírode, najmä v atmosfére. Atmosféra je optický nerovnorodé prostredie: jej index lomu sa mení s výškou, ďalej závisí od teploty, vlhkosti, rôznych prímesí a od pohybu vzduchových hmôt. V konečnom dôsledku je index lomu atmosféry tým menší, čím menšia je hustota vzduchu. Preto sa svetelné lúče v atmosfére nešíria po priamkach, ale po zakrivených trajektóriách (refrakcia svetla). Tým sa vysvetľuje vznik napr. fatamorgán (presnejšie by sme mali hovoriť o zrkadlení; fatamorgána je historický názov, ktorý dali tomuto javu kedysi dávno námorníci plaviaci sa Messinskou úžinou). S refrakciou sú spojené aj iné javy, napr. pri západe Slnka pozorujeme sploštenie slnečného kotúča nad obzorom alebo trblietanie hviezd za jasnej noci. Ak by platilo n = 1, atmosféra by sa stala opticky rovnorodým prostredím a zmizla by refrakcia svetla v atmosfére a spolu s ňou fatamorgány, trblietanie hviezd a jedinečné západy Slnka.

A čo rozptyl svetla? Rozptyl svetla nastáva tak, že svetelný lúč interaguje s molekulami prostredia, odovzdá im maličkú časť svojej energie, a tie ju potom vyžiaria do všetkých smerov. Toto pohlcovanie a následné vyžarovanie svetla závisí od indexu lomu. Rozptyl svetla v plyne je tým väčší, čím väčší je index lomu. Z toho napríklad vyplýva, že vo vzduchu sa viac rozptyľuje svetlo s kratšou vlnovou dĺžkou, pretože má väčší index lomu. Inými slovami, modré svetlo sa vo vzduchu rozptyľuje viac ako červené. Rozptylom môžeme teda vysvetliť také efekty, ako sú modrá farba oblohy alebo červené zore. Ak by sa index lomu vždy rovnal jednej, rozptyľovalo by sa svetlo všetkých vlnových dĺžok rovnako a efekty, ktoré sme spomínali, by nevznikli. Takže nijaká modrá obloha, nijaké ranné a večerné zore. A napokon ešte jeden nepríjemný dôsledok – obrovská ďalekozrakosť. Šošovka nášho oka by totiž tiež nemohla plniť svoju funkciu a oko by sa teda zmenilo z jemného optického prístroja na primitívnu cameru obscuru.

Čo by bolo, keby bola zemská os kolmá na rovinu, v ktorej sa pohybuje Zem?

Vieme, že os Zeme zviera s rovinou jej pohybu ostrý uhol. Vďaka tomuto sklonu vznikajú na našej planéte niektoré javy súvisiace najmä s počasím. Miesto na oblohe, v ktorom zemská os pretína nebeskú klenbu, sa nám javí nehybné. Na tomto mieste pozorujeme snáď najznámejšiu hviezdu nočnej oblohy – Polárku alebo Severku, ktorá určuje severný smer. Ako navigačnú pomôcku ju námorníci používajú už niekoľko storočí. Keby bola zemská os kolmá na rovinu pohybu Zeme, naša Polárka by prestala byť Polárkou. Pozdĺžna os Zeme by neprechádzala jej blízkosťou a hviezdna sféra by sa začala otáčať okolo iného bodu na oblohe. Čo sa týka počasia, úplne by sa zmenilo striedanie ročných období, resp. celkom by zaniklo. Zemeguľa by bola vzhľadom na slnečné lúče stále v rovnakej polohe a na každom mieste by bolo po celý rok stále to isté ročné obdobie.

Ako by sa zmenil svet, keby bola rýchlosť svetla porovnateľná s bežnými rýchlosťami v našom živote?

Od začiatku 20. storočia sa dostala do povedomia ľudí nová prevratná fyzikálna teória, ktorú svetu sprístupnil geniálny nemec ký fyzik Albert Einstein. Nehovoríme o ničom inom ako o špeciálnej teórii relativity. Táto teória sa zaoberá zákonmi mechaniky pri rýchlostiach, ktoré sú blízke rýchlosti svetla vo vákuu (teda magickej hodnote 300 000 km/s). Medzi základné dôsledky teórie relativity patria dilatácia času a kontrakcia dĺžky. Ide o to, že pri vysokých rýchlostiach pohybu idú pohybujúce sa hodiny rýchlejšie ako tie, ktoré sú vzhľadom na toho istého pozorovateľa v pokoji (dilatácia času), resp. že pohybujúce sa objekty sa pozorovateľovi javia kratšie, ako sú v skutočnosti (kontrakcia dĺžky).

Predstavme si teraz, že sme sa ocitli v meste Relativita, kde je rýchlosť svetla porovnateľná s bežnými rýchlosťami. Stojíme na námestí a obzeráme sa okolo seba. Všetko je úplne normálne: budovy vyzerajú ako normálne budovy, policajt na križovatke vyzerá tiež ako normálny policajt. Zrazu zbadáme cyklistu, ktorý sa k nám pomaly približuje. Keď bude celkom pri nás, zistíme, že on i bicykel sú neuveriteľne skrátení v smere pohybu. Chlapík sa zrejme ponáhľa, lebo začal šliapať o niečo usilovnejšie. Jeho rýchlosť sa tým príliš nezväčšila, zato sa však ešte viac skrátil. Rozhodli sme sa, že ho dostihneme, preto sadáme na bicykel a rozbiehame sa za ním. Tentoraz pozorujeme, že ulice a domy sa skrátili a policajt na križovatke je tenký ako zápalka. S veľkou námahou sa nám podarí dostihnúť spomínaného cyklistu. Keď si ho obzrieme, uvedomíme si, že je to vlastne celkom obyčajný človek ako my. Ďalšie prekvapenie nás čaká, keď zastavíme a porovnáme údaj na našich hodinkách s údajom na vežových hodinách. Naše hodinky sa budú totiž oproti vežovým o niečo oneskorovať. Tieto efekty nie sú ničím iným ako kontrakciou dĺžok a dilatáciou času, ktoré sú dôsledkami základných princípov špeciálnej teórie relativity.

Zaujali vás takéto úlohy? Ak áno, skúste sformulovať podobný problém a spolu so svojimi kamarátmi alebo učiteľmi ho potom aj vyriešiť. Uvidíte, že sa pri tom dobre zabavíte a možno sa začnete pozerať na svet okolo seba trochu inak. Svoje nápady nám môžete poslať do redakcie a najzaujímavejšie odmeníme.

Ľubomír Konrád