Względna natura czasu

Dodano 2019-11-06, w dziale inne - archiwum

“Czas to pojęcie względne” – zdanie to słyszał chyba w życiu każdy z nas i to na pewno więcej niż jeden raz. Potrafimy go mierzyć i to nawet bardzo precyzyjnie, traktujemy jako coś cennego, co możemy zaoszczędzić lub poświęcić, niekiedy uskarżamy się również na jego brak, ale tak naprawdę nadal nie za bardzo potrafimy powiedzieć, czym on jest. Nic więc dziwnego, że czas, jego upływ i związany z tym bardzo mocno problem przemijania, fascynują ludzi od tysiącleci.

Przez lata uważano, że czas, określający kolejność zdarzeń w tym samym miejscu i odstępy między nimi, jest po prostu wielkością fizyczną, dlatego go mierzono. Pomijając starożytnych filozofów przyrody, wśród naukowców wieków późniejszych (choć również filozofów), /pliki/zdjecia/czas1_0.jpg jako pierwszy bardzo oryginalnie spojrzał na istnienie czasu Isaak Newton, który twierdził, że czas jest absolutny, płynie w jednostajnym tempie, żaden czynnik zewnętrzny nie ma na niego wpływu, a poza tym jest uniwersalny w całym wszechświecie. A zatem czas i przestrzeń nie były jego zdaniem ze sobą powiązane i istniały niezależnie. Można by więc sobie wyobrazić nawet pusty wszechświat, w którym i tak czas by istniał. Zupełnie inaczej widział tę kwestię Gottfried Wilhelm Leibniz, którego zdaniem czas i przestrzeń mają charakter relacyjny, czyli istnienie czasu uzależnione jest od istnienia świata. Mówiąc prościej, bez świata (następstwa zdarzeń) nie może być też mowy o czasie. Do tej dyskusji swoje dołożył też George Berkeley, który stwierdził, iż bez umysłu, który umie postrzegać ruch, idea czasu jest wyłącznie iluzją. To właśnie on powiedział, że „Wrażenie płynięcia czasu, przemijania, powstaje jedynie w naszej świadomości”. Tak czy inaczej współcześnie uważa się, że prawdziwy kopernikański przełom w rozumieniu pojęcia czasu dokonał się dzięki odkryciu Alberta Einsteina.

Ten, w swojej teorii względności, powiązał bowiem czas z polem grawitacyjnym, czym dał do zrozumienia, że nie tylko nie jest on niezależny, ale jest też czwartym wymiarem w pojęciu czasoprzestrzeni. W myśl opublikowanej przez niego w 1915 roku teorii względności czas nie tylko nie jest absolutny, ale rozciąga się i skraca w zależności od tego, jak szybko porusza się jego obserwator, a grawitacja powoduje dodatkowo zakrzywienie czasoprzestrzeni. Twierdził stanowczo, że zegar umieszczony w silniejszym polu grawitacyjnym będzie chodził wolniej, niż ten umieszczony w większym oddaleniu. Zgodnie z tym twierdzeniem ludzie mieszkający na nizinach powinni się więc starzeć wolniej od tych mieszkających wysoko w górach. Odległości od źródła grawitacji na Ziemi są jednak tak małe, że nie jesteśmy w stanie tego dostrzec. W zasadzie także tego nie mierzymy, bo aż taka dokładność nie jest nam do życia potrzebna. Czasem jednak potrzebujemy dokładnie wyznaczyć czas, a z kolei z niego wyznaczyć położenie, wtedy odchylenie to, /pliki/zdjecia/czas2_0.jpg choć faktycznie minimalne, warto już brać pod uwagę (system GPS). Einstein zasugerował również, że czas może biec szybciej lub wolniej nie tylko w zależności od tego, w jakim oddaleniu od źródła grawitacji się znajdujemy, ale także z jaką szybkością podróżujemy (według niego jedyną stałą wartością dla obserwatora i to niezależnie od tego, z jaką prędkością się przemieszcza względem innych, jest prędkość światła). Według niego, w przypadku poruszania się w próżni z prędkością światła, różnica tego pomiaru będzie już znaczna. Einstein opracował to zagadnienie teoretycznie, ale w XX wieku wielu wybitnych naukowców potwierdziło w praktyce prawdziwość jego teorii względności, gdyż zaczęli dysponować znacznie bardziej dokładnymi instrumentami, w tym i tymi mierzącymi upływ czasu.

Niedawno teorię Einsteina potwierdzono po raz kolejny, wykorzystując do tego niezwykle dokładny zegar opracowany przez dr. Jamesa Chin-Wen Chou z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Kolorado. To obecnie najdokładniejszy zegar świat (w zegarze tym wykorzystał on jon glinu zamiast atomu cezu, wykorzystywanego w zegarach atomowych, "zawieszając" go w polu elektrycznym, który jak się okazało drga z optyczną częstotliwością 100 tysięcy razy większą). Cin-Wen Chou potwierdził, że udało mu się zaobserwować różnice wskazań zegarów umieszczonych w różnej odległości od źródła grawitacji. Powiedział krótko: „Nie spodziewaliśmy się żadnych rozbieżności z teorią Einsteina i nie znaleźliśmy żadnych”. Tu warto dodać, że według teoretycznych obliczeń zegar dr. Chou może spóźnić się o sekundę w ciągu 3 miliardów 700 milionów lat (w przypadku dotychczasowych zegarów atomowych mówi się o 100 milionach lat).

Istnienie odkrytego przez Einsteina zjawiska dylatacji czasu (czyli różnic w pomiarze czasu dokonywanym równolegle w dwóch układach odniesienia, z których jeden przemieszczał się dodatkowo względem drugiego), potwierdziły zarówno wyprodukowane pod koniec XX wieku zegary atomowe jak i zegar dr Chin-Wen Chu. Ten ostatni wyliczył nawet, /pliki/zdjecia/czas3_0.jpg że w ciągu 79 lat życia osoba mieszkająca o stopę wyżej od innej zestarzeje się od niej wolniej średnio o około 90 miliardowych części sekundy (dla przeciętnego człowieka może to i mało istotna informacja, ale dla nauki to prawdziwie milowy krok). W tzw. międzyczasie inni naukowcy potwierdzili również teorię, mówiącą o tym, że w czasie podróży z prędkością światła, czas zwalnia. Chodzi o tzw. „paradoks bliźniąt”. Załóżmy, że wysyłamy w kosmos rakietą jedno z bliźniąt. Zgodnie z teorią względności Einsteina czas w tym poruszającym się obiekcie (ale mierzony z „naszego”, spoczywającego układu) biegnie wolniej. W takim razie po powrocie na Ziemię podróżujący rakietą bliźniak powinien być młodszy. I to się potwierdziło. Różnica w długości życia będzie brała się z okresów przyspieszania i hamowania „podróżnika” oraz z tego, że tempo upływu czasu zależy od natężenia pola grawitacyjnego. Naturalnie wszystkie eksperymenty tego typu przeprowadzono na tzw. cząstkach elementarnych, poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła, a nie na ludziach, ale potwierdziły one zasadność teorii Einsteina.

Zjawisko dylatacji jest więc dowodem na to, że czas nie jest tak naprawdę tym, za co go powszechnie uważamy. Ale możemy spać spokojnie, bo jak sami widzicie, przeciętnego mieszkańca Ziemi to wszystko tak naprawdę mało dotyczy.

Grafika: