Wszystkie wydarzenia, które obserwujemy, postępują z przeszłości do przyszłości. Choć nie sposób całkowicie zdefiniować natury czasu, to wszyscy dzielimy wiele wspólnych doświadczeń z nim związanych: minione zdarzenia naturalnie prowadzą do skutków w teraźniejszości lub przyszłości, pamiętamy to, co wydarzyło się w przeszłości (ale nie przyszłość – to jedynie nasze wyobrażenia), zaś ewolucja wydaje się być ciągła.
Ludzie tacy jak my, którzy wierzą w fizykę, wiedzą, że rozróżnienie przyszłości, teraźniejszości i przyszłości jest tylko uparcie trwającą iluzją. Dawniej sądzono, że czas jest płynie równo w całym wszechświecie Przez stulecia uważano, że czas jest uniwersalny, niezależny, zupełnie tak, jakby całym wszechświatem rządził jeden zegar.
Jeden z najsłynniejszych uczonych, Izaak Newton w XVII w. postrzegał czas jako strzałę wystrzeloną z łuku, która porusza się w linii prostej, nie zbaczając nigdy ze swojej ścieżki. Dla Newtona sekunda na Ziemi była dokładnie taka sama, jak ta na Marsie, Jowiszu, Słońcu, czy gdziekolwiek w przestrzeni kosmicznej. Absolutny, prawdziwy i matematyczny czas sam z siebie i ze swojej własnej natury płynie równo i bez związku z czymkolwiek zewnętrznym.
Einstein i rewolucja w postrzeganiu czasu
Uważał on, że to ruch wszystkiego (nawet światła) jest zmienny. Stosując tę teorię, założył, że skoro prędkość światła może się zmieniać, to czas musi być stały – upływa od jednej sekundy do kolejnej, bez żadnej różnicy pomiędzy dwiema różnymi sekundami.
Patrząc na ten tok rozumowania, można zrozumieć tego nowożytnego uczonego. W końcu widział świat, w którym każdy dzień jest niezmienny i ma 24 godziny. Zmiana postrzegania czasu nastąpiła dopiero w XX w. A dokładnie na jego początku. Opis czasu uległ zmianie w 1905 r., kiedy Albert Einstein przedstawił szczególną teorię względności.
Eksperyment potwierdzający względność czasu
Zmieniła ona sposób pojmowania czasu, przestrzeni i muchu opisanych wcześniej w newtonowskiej mechanice, nazwanej potem nierelatywistyczną. Einstein stwierdził, że Czas dla niego bardziej przypominał rzekę, która przypływa i odpływa, w zależności od siły grawitacji i czasoprzestrzeni.
Zatem przyspieszałby i zwalniał wokół ciał o różnych masach i prędkościach, w związku z czym jedna sekunda na Ziemi nie miałaby takiej samej długości w całym wszechświecie. Od odkrycia Einsteina fizycy przeprowadzili wiele pomiarów, które potwierdziły względność czasu.
Co to jest czas?
Czy da się go opisać prostymi słowami? Czy da się prostymi słowami zdefiniować, czym jest czas? Zapytałem się o to prof. Rafała Demkowicza-Dobrzańskiego, fizyka kwantowego z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego, który komentował dla GeekWeeka – Niestety nie ma prostych słów. Fizycy nie wiedzą, czym jest czas, tak można najprościej powiedzieć – śmieje się prof. Demkowicz-Dobrzański – w ramach różnych teorii czas jest wprowadzany, oznaczany i używany. Ale jest dużo dyskusji wśród fizyków, czym on jest.
- W najprostszym pojęciu, jakie intuicyjnie pewnie większość ludzi ma, czas jest pewnym parametrem, który porządkuje nam zdarzenia we wszechświecie.
- Możemy go mierzyć, obserwując, jak zmieniają się stany układów fizycznych.
Bo czym jest mierzenie czasu? – zadaje pytanie prof. z UW – To jest patrzenie na procesy fizyczne, które się powtarzają i liczenie tych powtórzeń.
Miernik czasu w geologii
Od czasu XX-wiecznej fizyki nie jest traktowany jako jeden absolutny dla wszystkich, dla całego wszechświata, ale pewien sposób opisywania dynamiki świata przez obserwatora.
W geologii obejmuję miliony lat, w trakcie których cykliczne zjawiska prowadzą do formowania oceanów i wypiętrzania gór. W skali tysięcy lat zachodzą procesy erozji i denudacji, które stopniowo wyrównują powierzchnię Ziemi. Intensywność tych procesów zależy od zmieniających się cyklicznie warunków klimatycznych – pisze w mailu do GeekWeeka prof. Paweł Zieliński z Instytutu Nauk o Ziemi i Środowisku UMCS.
Jak mierzymy czas?
Od ruchu obrotowego Ziemi do zegarów kwantowych Zasadniczo pomiar czasu możemy podzielić na dwa rodzaje: dynamiczny i atomowy. Pierwszy opiera się na ruchu ciał niebieskich (np. wspomniany wyżej Ziemi wokół Słońca), czy wirowania odległych gwiazd (np. pulsarów).
Te tradycyjne opierają się na polach magnetycznych, nowoczesne wykorzystują wyrafinowane lasery w celu utrzymania jeszcze dokładniejszego pomiaru czasu. Choć najczęściej w zegarach atomowych wykorzystuje się cez, to urządzenia pomiarowe wykorzystujące stront mogą zapewnić dwukrotnie większą dokładność, zaś eksperyment oparty na atomach rtęci wykazał rozbieżność do –
Nawigacja i czas
Obrót Ziemi narzucił ludziom konieczność precyzyjnego odmierzania czasu oraz umożliwił dokładną nawigację. Współczesna nawigacja opiera się na systemie GPS, którego działanie uwzględnia efekty szczególnej i ogólnej teorii względności.
- Szybki ruch satelitów oraz ich znaczna odległość od Ziemi sprawiają, że bez zastosowania poprawek relatywistycznych, po zaledwie dwóch minutach błąd pozycji GPS mógłby wynieść 10 metrów, a po dobie – aż 10 kilometrów.
- Dość spektakularnym efektem, który można mierzyć w zegarach atomowych, jest to, że zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina czas będzie płynął inaczej w zależności od siły pola grawitacyjnego.
Dlaczego czas płynie tylko do przodu?
Ile razy marzyliśmy, żeby cofnąć czas? Z tych marzeń powstało nawet kilka ciekawych filmów, ale jak dotąd nikomu się to nie udało. Czas uparcie płynie wyłącznie w jednym kierunku i w zasadzie naukowcy nie do końca wiedzą, jak to wyjaśnić.
Mają kilka teorii. Jedna z nich opiera się na drugiej zasadzie termodynamiki, która głosi, że wszystko we wszechświecie ma tendencję do przemieszczania się od niskiej do wysokiej entropii lub prościej mówiąc – od jednorodności do nieporządku.
Inna teoria z kolei głosi, że czas jest powiązany z rozszerzaniem się wszechświata. Gdy przestrzeń się zwiększa, pociąga za sobą czas. Czy więc oznacza to, że jeśli potencjalnie zacznie się kurczyć, to czas zacznie się cofać?
Czy czas w ogóle istnieje?
Rozważania nad czasem, to niezwykle szeroki zakres badań. Oprócz ścisłego opisu czasu jako wielkości, mamy także jego postrzeganie przez mózg i umysł człowieka.
Są filozofowie, którzy twierdzą, że to czego doświadczamy jako czas, jest jedynie iluzją. Czas nie jest rzeczywisty, a przeszłość i przyszłość istnieją w całkowitym zakresie w również istniejącej przestrzeni. Jego upływ wówczas byłby jedynie efektem ubocznym sposobu funkcjonowania naszego mózgu i przetwarzania informacji z naszego otoczenia.