Niezwykła natura czasu. Czy coś takiego w ogóle istnieje?

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.

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.

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.

A dokładnie na jego początku. Opis czasu uległ zmianie w 1905 r., kiedy Albert Einstein przedstawił szczególną teorię względności. Zmieniła ona sposób pojmowania czasu, przestrzeni i ruchu opisanych wcześniej w newtonowskiej mechanice, nazwanej potem nierelatywistyczną.

Einstein stwierdził, że prędkość światła nie zmienia się, ale jest stała i wynosi 299 792 km/s. 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. Jednym z nich był eksperyment z 1971 r., kiedy to dwaj naukowcy, Joseph Carl Hafele i Richard Keating umieścili cztery zegary atomowe oparte na cezie w samolotach, które poruszały się wokół Ziemi w dwóch kierunkach: na wschód, a następnie na zachód. Efekty badania opublikowano rok później w czasopiśmie "Science". W artykule naukowcy donosili, że zegary były o około 59 nanosekund wolniejsze od zegarów atomowych na Ziemi w przypadku podróży na wschód i o 273 nanosekundy szybsze w przypadku podróży na zachód.

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 Nagrodę Nobla z fizyki w 2024 r.

- 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.

Od czasów teorii względności Einsteina ludzie uświadomili sobie, że czas jest związany z obserwatorami i tym jak się względem siebie poruszają, czy są w różnym polu grawitacyjnym... Wówczas to, co nazywają czasem, będzie biegło inaczej. Jeśli chcą się dogadać, to muszą się nauczyć przeliczyć ten czas. Czas od XX-wiecznej fizyki nie jest traktowany jako jeden absolutny dla wszystkich, dla całego wszechświata, ale pewien sposób opisywania dynamiki świata przez obserwatora.

Jeszcze ciekawiej robi się, gdy zaczniemy o nim myśleć w języku fizyki kwantowej, gdzie nasza rzeczywistość staje się określona przez sam pomiar. Jak zauważył profesor, fizyka kwantowa jest bardziej subtelna i raczej pozwala mówić jedynie o tym, co mierzymy. Powinniśmy więc unikać mówienia, że coś istnieje bez poinformowania, co to znaczy w kontekście tego, co ten obserwator mierzy.

Wówczas czas można uznać za fenomen, który objawia się przez to, w jaki sposób mierzymy nasz wszechświat. To efekt oddziaływania obserwatora ze wszechświatem, w ramach którego nasz opis jawi się jako upływający czas. I choć są nawet modele matematyczne tego, jak to się może dziać, to jest to bardzo filozoficzny obraz.

W przypadku naszej planety, z upływem czasu mamy do czynienia od samego jej powstania. Pomimo wielu tajemnic czasu, które obserwujemy na poziomie fizyki, nie sposób nie zauważyć jego upływu. Przez miliony lat istnienia Ziemi kontynenty poruszały się, powstawały i zanikały oceany, wybuchały wulkany, rozwijały się i topniały lodowce. Wreszcie jedne organizmy powstawały, ewoluowały, inne bezpowrotnie ginęły. Choć nie potrafimy cofnąć czasu, to dzięki nauce umiemy coraz lepiej wyszukiwać i badać ślady minionych tysiącleci. Odnajdujemy pozostałości skorupiaków w wapieniach, wykopujemy kości dinozaurów i innych niezwykłych stworzeń. Jak więc postrzegać czas z perspektywy historii Ziemi?

- Z perspektywy geografa czas stanowi przede wszystkim skalę, w której zachodzą różnorodne procesy. W geologii obejmuje 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.

W tym przypadku oprócz praw fizycznych rządzących czasem pomaga nam także... chemia, a dokładnie pierwiastki, z których zbudowane jest wszystko, co nas otacza. - Skala czasu geologicznego opiera się na połowicznym rozpadzie pierwiastków radioaktywnych, a jej jednostką są lata, wyznaczane przez obieg Ziemi wokół Słońca. Ten ruch powoduje zmiany pór roku, wpływając na sezonowe wahania klimatu. Na przestrzeni tysięcy lat obserwujemy cykliczne zmiany klimatyczne, które wynikają z (I) precesji osi obrotu Ziemi, (II) zmian jej kąta nachylenia, oraz (III) zmiany kształtu orbity (mimośrodu), czyli tzw. cykli Milankovicia - informuje prof. Zieliński.

- Z kolei na powierzchni Ziemi zachodzą procesy o gwałtownym charakterze, jak zmiany pogody czy wezbrania rzek, które trwają zaledwie kilka godzin i są wynikiem ruchu obrotowego Ziemi wokół własnej osi. To właśnie ten ruch wyznacza cykl dnia i nocy. Między krótszymi cyklami liczonymi w godzinach a wieloletnimi cyklami istnieje jeszcze jeden, mierzalny w miesiącach - ruch Ziemi i Księżyca wokół wspólnego środka ciężkości (barycentrum), który kształtuje zmiany wielkości pływów morskich, takich jak pływy syzygijne i kwadraturowe - dodaje ekspert z Lublina.

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 metody nie są jednak zbyt dokładne (tj. są na tyle dokładne, że na co dzień pozwolą nam funkcjonować, pozwalają nawet prowadzić badania historii naszej planety, ale dla fizyków i zaawansowanych urządzeń, jak choćby GPS, zakres błędu jest zbyt duży).

- Ruch obrotowy Ziemi ulega zaburzeniom. Obecność Księżyca, pływy, obecność innych planet. Oś obrotu ulega precesji. To mnóstwo efektów, które powodują, że sekunda określana w ten sposób będzie bardzo niedoskonała - mówi prof. Rafał Demkowicz-Dobrzański.

Patrząc na cykliczność dnia i nocy, definicję sekundy możemy oprzeć na obrocie Ziemi. Skoro pełny obrót Słońca wyznacza jeden dzień, to dzielony na 24 godziny pozwala wyznaczyć minuty i sekundy. W geografii dobę definiuje się jako okres pomiędzy górowaniami Słońca. Zgodnie z tą definicją, równo w południe (g. 12.00 czasu słonecznego) powinniśmy zmieniać datę w kalendarzu. Sami przyznacie, że byłoby to jednak dość niewygodne. Wyobrażacie sobie, że zaczynacie pracę o wschodzie Słońca, a na zegarku jest godzina 18.00, natomiast gdy kończycie, Słońce jest wysoko na niebie, a zegarek wskazuje 2 godziny po północy i następny dzień? Wprowadziłoby to dużo zamieszania. Postanowiono więc przesunąć zmianę daty na okres, kiedy większość z nas śpi i nie jest to aż tak uciążliwe. Dziś jednak wiemy, że Ziemia nie obraca się równomiernie, ale nieustannie zwalnia, o ok. 30 sekund na każde 10 tys. lat.

Aby jeszcze dokładniej zmierzyć czas, dzięki czemu możemy korzystać z tak precyzyjnej technologii jak GPS, skonstruowano zegary atomowe. 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 mniej niż +/- 1 sekundy na 400 milionów lat.

- 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. - napisałw mailu do GeekWeeka prof. Paweł Zieliński.

- 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. Zegary atomowe są tak dokładne, że można ich używać, aby stwierdzić, iż taki zegar jest przesunięty nawet kilka centymetrów od ziemi i czuje słabsze pole grawitacyjne, przez co chodzi innym innym tempem - dodaje prof. Demkowicz-Dobrzański.

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. W przypadku wszechświata jest to podróż od prostoty Wielkiego Wybuchu, to losowego rozmieszczenia galaktyk.

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? Póki co, na wiele pytań odnośnie czasu nauka jeszcze nie jest w stanie precyzyjnie odpowiedzieć. Ale patrząc na postępy w zrozumieniu fizyki w ciągu ostatnich stu lat, to wykorzystując rozwój technologii, w XXII wieku nasza wiedza zapewne będzie niewyobrażalnie większa. Zaryzykuję nawet stwierdzeniem, że jeśli komuś uda się określić precyzyjnie, czym jest czas, wówczas trafi do grona najwybitniejszych fizyków wszech czasów, a Nagrodę Nobla ma w kieszeni.

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.