Historia czasu i jego rachuba

Czas to wielkość fizyczna, którą posługuje się każdy na co dzień, jednak nie każdy potrafiłby podać definicję czasu. Różne dziedziny nauki podają różne definicje – czas jest opisywany inaczej w teologii, filozofii czy fizyce. Czym zatem jest czas?

Czas

Czas mierzymy w sekundach, minutach i godzinach, dniach, tygodniach, miesiącach, latach, dekadach, wiekach. Jednostki mierzenia czasu zmieniały się na przestrzeni dziejów, a ich początki znajdziemy w starożytnym Sumerze. Sumeryjczycy dzieli dzień (ud) na $12$ części (da–na) i na $360$ mu–es (odpowiednik kilku minut), ich miesiąc składał się z $30$ dni a rok z $360$ dni, więc był to system bliski aktualnemu. System ten opierał się na kalendarzu księżycowo‑słonecznym. Aktualnie podstawową jednostką czasu (w układzie SI) jest sekunda i jest ona zdefiniowana przez częstotliwość drgań cezu‑133. Definiując sekundę na podstawie częstotliwości nadsubtelnego przejścia w atomie cezu, określa się ją z niepewnością jednej sekundy na $300$ milionów lat. Obecnie sekundę definiuje się jako $9192631770$ okresów promieniowania, co odpowiada liczbie przejść. Konkretnie liczba ta to częstotliwość cezowa wyrażana w hercach, czyli odwrotności sekundy. Czas mierzony w ten sposób nazywany jest czasem atomowym. Zegary atomowe zapewniają najdokładniejszy pomiar czasu na Ziemi. Nowoczesne zegary atomowe wykorzystują lasery, które służą do wykrywania przejść w atomach cezu – przemiany te są energetyczne, dzięki czemu dokładnie odmierzają czas. Eksperymentalnie stosuje się zegary strontowe, które mają pozwalać na kilkukrotnie większą dokładność.

RbH4TsJmJhmlk

Zdjęcie. Duża, skomplikowana konstrukcja, sięgająca sufitu pomieszczenia. Jej największym elementem jest gruba, metalowa rura. Otaczają ją mniejsze urządzenia na stelażach oraz skrzynki z podłączoną elektroniką.

Wiemy już czym jest sekunda, ale czym jest czas? Jest on często określany jako ciąg zdarzeń od przeszłości, przez teraźniejszość, do przyszłości. Jest on uznawany za czwarty wymiar rzeczywistości, opisujący zdarzenia w przestrzeni trójwymiarowej. Czasu nie da się zobaczyć, można tylko zmierzyć jego upływ. W świecie nauki czas ma jeden kierunek, zwany strzałką czasustrzałka czasustrzałką czasu. Związane jest to z podstawowymi prawami termodynamiki – w układzie izolowanym entropiaentropiaentropia układu pozostaje stała lub rośnie. Jeśli rozpatrywać Wszechświat jako układ izolowany, to jego entropia nie może się zmniejszyć, czyli nie da się cofnąć czasu, a sam Wszechświat nie może powrócić do stanu, w jakim był wcześniej. Oznaczałoby to, że czas trwa od powstania Wszechświata i zaczął się wraz z jego początkiem. Na początku $\text{XX}$ wieku astronomowie Georges Lemaître i Edwin Hubble, pracowali równolegle nad badaniami dotyczącymi ewolucji Wszechświata. Ich badania prowadziły do wniosku, że Wszechświat ciągle się rozszerza. Zależność ta została nazwana prawem Hubble’a (od $2018$ roku jest to prawo Hubble’a–Lemaître’a) – galaktyki oddalają się od siebie z prędkością proporcjonalną do odległości między nimi:

gdzie:
$H_0$ – stała Hubble’a,
$r$ – odległość.

Po przekształceniach otrzymujemy:

Z prawa Hubble’a–Lemaître’a można zatem oszacować wiek Wszechświata, gdyż stosunek odległości do prędkości to nic innego jak czas.

Aktualnie uznaje się, że stała Hubble’a wynosi około $60$ – $75 \frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}·\mathrm{Mpc}}$ z dokładnością do $10\%$. Zgodnie z publikacją „Wybrane wzory i stałe fizykochemiczne” wydanej przez CKE na egzamin maturalny od $2023$ roku, jest to $70 \frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}·\mathrm{Mpc}}$.

Dla Wszechświata czas zatem miał swój początek prawie $14$ miliardów lat temu, kiedy miał miejsce Wielki Wybuch. Udowadnia to możliwość pomiaru kosmicznego promieniowania tła pochodzącego z Wielkiego Wybuchu. W chwili obecnej nie obserwujemy żadnego promieniowania o wcześniejszym pochodzeniu.

R1LerPGMa0WKm

Ilustracja. Na czarnym tle trzy elipsy, jedna pod drugą. Pierwsza elipsa na górze i z prawej strony jest czerwona. Na dole i z lewej strony jest niebieska. Między czerwoną a niebieską częścią różowa granica. Druga elipsa jest czerwona wzdłuż osi wielkiej. Wygląda to jak gruba, nieregularna linia przebiegająca w poprzek elipsy. Wokół czerwone plamy z różowymi obwódkami i jasnoniebieskie plamy z ciemnoniebieskimi obwódkami. Trzecia elipsa jest pokryta czerwonymi plamami z różowymi obwódkami i jasnoniebieskimi plamami z ciemnoniebieskimi obwódkami.

Izaak Newton definiował czas jako strzałę wystrzeloną z łuku. Strzała ta miała poruszać się po prostej i nie zmieniać swojego toru. Według Newtona jedna sekunda na Ziemi trwała tyle samo jak w dowolnym miejscu we Wszechświecie. Zakładał on, że czas jest stały, a każda inna wartość może się zmieniać, nawet prędkość światła. Dopiero na początku $\text{XX}$ wieku Albert Einstein stwierdził, że prędkość światła w próżni jest stała i wynosi prawie $300000 \frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$. Opisywał on czas na podobieństwo rzeki, która płynie wolniej lub szybciej w zależności od wpływu grawitacji. Czas może zatem przyspieszać i zwalniać. To właśnie dzięki szczególnej i ogólnej teorii względności Einsteina wiemy, że czas jest względny. Zależy on od układu odniesienia obserwatora i może to powodować dylatację czasu. Jest to wydłużanie się czasu między zdarzeniami, jeśli zbliżamy się do prędkości światła. Wydłużenie odcinka czasu związane jest z różnicą w pomiarze dokonywanym w dwóch różnych układach odniesienia – jeden z nich powinien być w ruchu względem drugiego. Założenie to można opisać wzorem:

gdzie:
$\Delta t$ – to czas trwania badanego zjawiska zarejestrowany przez obserwatora w układzie odniesienia poruszającym się względem tego zjawiska,
$\Delta t_0$ – to czas trwania badanego zjawiska zarejestrowany przez spoczywającego obserwatora względem tego zjawiska,
$\gamma$ – to czynnik relatywistyczny lub inaczej czynnik Lorentza opisywany wzorem:

gdzie:
$c$ – prędkość światła,
$v$ – prędkość względna obserwatorów (układu odniesienia).

Jeśli $v$ będzie dużo mniejsze od prędkości światła to ich stosunek będzie miał bardzo małą wartość więc czynnik Lorentza będzie bliski $1$, to znaczy, że zegary będą rejestrowały prawie taki sam czas. Jeśli $v$ będzie bliski prędkości światła, to czynnik Lorentza będzie przyjmował duże wartości, a zatem $\Delta t$ może być dużo większe od $\Delta t_0$. Przy standardowych ziemskich niskich wartościach prędkości nie zauważamy efektów relatywistycznych i stosujemy klasyczną teorię fizyki zamiast teorii względności.

R1WbzFFxuMPht

Ilustracja składa się z dwóch części. Pierwsza część. Na czarnym tle Ziemia, obok niej statek kosmiczny, zwrócony w kierunku OD Ziemi. Przy każdym obiekcie znajduje się zegar. Oba zegary wskazują godzinę dwunastą. Druga część. Na czarnym tle Ziemia, obok niej statek kosmiczny, zwrócony w kierunku DO Ziemi. Przy każdym obiekcie znajduje się zegar. Zegar przy Ziemi wskazuje godzinę piątą. Zegar przy rakiecie wskazuje godzinę pierwszą.

Fizyka nie daje wszystkich jasnych odpowiedzi dotyczących czasu, ale możemy zaobserwować rozwój teorii. Zaczęło się od starożytnych zegarów słonecznych i kalendarzy księżycowych, a kończy się na razie na nowoczesnych zegarach atomowych. Aktualnie możemy śledzić upływ sekundy dokładniej niż kiedykolwiek. Wiemy, że czas ma swój początek w momencie Wielkiego Wybuchu, ale czy czas kiedyś się skończy? Skoro Wszechświat rozszerza się w nieskończoność, to czas będzie trwał razem z trwaniem Wszechświata. Czy kiedyś dowiemy się więcej o istocie czasu? – tylko czas pokaże.

Czas w użyciu

R1Oaz3VhVSdWy

Animacja przedstawiająca zagadnienia związane z pomiarami i postrzeganiem czasu.

Animacja przedstawiająca zagadnienia związane z pomiarami i postrzeganiem czasu.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1Oaz3VhVSdWy

Animacja przedstawiająca zagadnienia związane z pomiarami i postrzeganiem czasu.

Sprawdź się

Słownik

Bibliografia

Sagnowska B., Szot‑Gawlik D., Godlewska M., Rozenbajgier M., Rozenbajgier R., 2017, Świat fizyki, Warszawa, WSiP