Co to jest czas?

Wykład dr. Stanisława Bajtlika, Kawiarnia Naukowa 1a, 10 grudnia 2015 [58min]

Wszyscy posługujemy się czasem, ale nikt nie wie, czym jest czas – mówił dr Stanisław Bajtlik podczas wykładu w Kawiarni Naukowej 1a. Astrofizyk podjął się przybliżenia słuchaczom własności czasu oraz wyjaśnienia, w jaki sposób wiedza o tych własnościach przekłada się na praktyczne zastosowanie.

Pojęcie czasu od dawna nurtowało ludzkość. I budziło niepokój  Heraklit z Efezu pisał, że nie można wstąpić dwukrotnie do tej samej rzeki. Sekstus Empiryk stwierdził, że do tej samej rzeki nie tylko nie można wejść dwa razy, lecz w ogóle. Między początkiem a końcem tego procesu rzeka bowiem ulega zmianie. Procesy fizyczne mają swój początek w przeszłości i znajdują finał w przyszłości. Czyli w sferach, które nie istnieją tu i teraz. Skoro procesy fizyczne zachodzą w czymś, czego nie ma, i kończą się w czymś, czego nie ma, to czy w ogóle zachodzą? – wyrażał te obawy Stanisław Bajtlik.

Astrofizyk przypomniał też starożytne paradoksy ruchu. Strzała wypuszczona w łuku w danym momencie swojego ruchu znajduje się w określonym miejscu. Więc pozostaje w spoczynku. Teoretycznie nie może być więc w ruchu, choć obserwator widzi, że leci. Achilles i żółw ścigają się na tym samym odcinku. Achilles, jako biegający szybciej, pozwala się żółwiowi oddalić. Choć Achilles biega szybciej niż żółw, to według autora tego paradoksu powinien przegrać wyścig. Za każdym razem bowiem, gdy będzie dobiegał do miejsca, gdzie był zółw, ten będzie przesuwał sie bliżej w stronę mety. Paradoks ten udało się rozwiązać dobiero w XVI w., gdy matematycy odkryli pojęcie szeregów skończonych. Według niego suma nieskończenie wielu elementów może być skończona, więc w tym przypadku dystanse i odstępy czasu stają się coraz krótsze.

O pomiarach czasu

Ludzie mierzyli czas od dawien dawna. Jak mówił Stanisław Bajtlik, do tego celu służyły prawdopodobnie megalityczne konstrukcje i dysk z Nerby sprzed 4,5 tys. lat. Starożytni Egipcjanie wynaleźli zegary słoneczne i klepsydrę. Na przełomie XIII i XIV w. skonstruowano pierwsze zegary mechaniczne, ale wskazówka minutowa to dopiero wynalazek XVI-wieczny. Wtedy też powstały pierwsze zegarki kieszonkowe, ale upowszechniły się dopiero w XIX w. Na przełomie XIX i XX w. pojawiły się pierwsze zegary kwarcowe. Wykorzystują one do pomiaru czasu zjawisko piezoelektryczności. Przyłożone do ścian bocznych kryształu kwarcu napięcie elektryczne wywołuje jego drgania, które są zliczane przez układ zegarka. Pomiar taki jest o wiele dokładniejszy niż w przypadku czasomierzy mechanicznych. Zegary atomowe pojawiły się w drugiej połowie XX w. Mierzą czas, wykorzystując drgania atomu, i osiągają dokładność 10-7 sekundy na rok.

Przez wieki operowano jedynie czasem lokalnym. Południe określano na podstawie obserwacji słońca. Zegary w różnych miejscowościach pokazywały różne godziny. Ujednolicenie czasu poprzez wprowadzenie stref czasowych – jak mówił astrofizyk – wymusiło dopiero pojawienie się kolei żelaznych. Po raz pierwszy dokonano tego w Anglii. Obecnie prawie cała Europa od Bugu do Kraju Basków znajduje się w jednej strefie czasowej, choć faktyczne różnice w czasie wynoszą do 2,5 godziny. Rosję obejmuje 7 stref czasowych, Stany Zjednoczone bez Hawajów i Alaski – 4. Chiny mają tylko jedną strefą czasową, a Indie i Nepal – w celu podkreślenie swojej niezależności – operują czasem lokalnym różniącym sie od strefowego odpowiednio o 45 minut i 0,5 godziny.

W XIX w. zaczęto używać globalnych systemów pomiaru czasu. W 1884 r. wprowadzono GMT (Greenwich Mean Time). Był to czas astronomiczny opierający się na obserwacji ruchu Ziemi. Na pomiar czasu wpływały jednak drgania naszej planety i jej przyciąganie grawitacyjne z innymi ciałami niebieskimi. GMT obowiązywał do 1972 r. Obecnie wykorzystywany jest UTC (Universal Time Coordinated). Jego pomiar opiera się na uśrednionym wskazaniu około 230 różnych zegarów, które znadują się w około 50 laboratoriach na całym świecie. W Polsce są to laboratorium firmy Orange oraz w Głównym Urzędzie Miar w Warszawie.

Co to jest czas?

Newton uważał, że przestrzeń i czas są niezależne od materii. Kant uważał, że czas i przestrzeń to aprioryczne kategorie do wyrażania doświadczeń, którym podlegamy. Schopenhauer zauważał, że czas pozwala na uszeregowanie sekwencji zdarzeń, dzięki czemu wszystkie nie dzieją się jednocześnie. Jak zauważył Stanislaw Bajtlik, wszystkie te koncepcje zakładały, że czas jest absolutny i płynie dla wszystkich tak samo. Dopiero w 1905 r. Eistein wykazał, że czas i przestrzeń są zależne od obserwatora. Różnice te w życiu codziennym są prawie niezauważalne, ale dla obiektów, które poruszają się z prędkością bliskiej prędkości światła, są ogromne.

W 1916 r. Einstein opublikował ogólną teorię względności. Według niej tempo zegara nie zależy jedynie od jego ruchu, ale też oddziałującego na niego pola grawitacyjnego. Zegar znajdujący się na poziomie morza chodzi wolniej niż znajdujący się na szczycie wysokiej góry, bo niżej siła oddziaływania pola grawitacyjnego jest wyższa. Dokładność zegarów atomowych jest tak duża, że po podniesieniu ich o 15 centymetrów do góry zaczynają chodzić szybciej.

Wyżej opisane własności czasu wykorzystywane są w działaniu systemu GPS. Wokół Ziemi krąży około 30 sztucznych satelitów z zegarami atomowymi na pokładzie. Mierząc różnice w czasie nadejścia sygnałów od różnych satelitów urządzenie odbierające sygnał jest w stanie określić swoje położenie. Ponieważ satelity krążą po elipsie, konieczne jest uwzględnienie różnic w tempie chodzenia zegarów wynikłych z ogólnej teorii względności Eintesteina.

Więcej w załączonym filmie z wykładu. Zapraszamy do oglądania.

***

Licencja Creative Commons
Ten utwór jest dostępny na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Na tych samych warunkach 3.0 Polska.

 

Partnerzy

Lista zapisanych wykładów jest aktualnie pusta.