Przepraszam, która godzina? Paradoks zegarów może zaskoczyć

Jednostki czasu i pierwszy zegar wymyślono tysiące lat temu, przed naszą erą, aby lepiej zarządzać zadaniami i ułatwić ludziom synchronizację działań. Miało to kluczowe znaczenie m.in. w rolnictwie, religii oraz handlu.

W miarę rozwoju społeczeństw metody mierzenia czasu ulepszano. Zegar stał się nieodzownym narzędziem organizacji życia codziennego, umożliwiając precyzyjne planowanie pracy, spotkań i rytuałów w sposób bardziej usystematyzowany. Po prostu - w zamyśle ma ułatwiać ludziom kontrolować to, by zrobić coś na czas.  

Paradoksalnie jednak wszechobecne zegary, zamiast po prostu pomagać lepiej zarządzać czasem, prowadzą również do tego, iż ludzie stają się niekiedy jego niewolnikami. Narzucanie sobie sztywnych ram czasowych nie zawsze bowiem działa na korzyść, tak samo zresztą jak złe gospodarowanie czasem. 

Można mnożyć tu rozmaite przykład, na przykład regularnie przewijający się problem w postaci poczucia przymusu do nieustannego wykorzystywania czasu w sposób efektywny, presji produktywności, kultu pędu. Z drugiej strony mamy prokrastynację. Kolejny aspekt "problemów z czasem" to wprowadzenie zmian czasu na letni i zimowy i płynące z tego negatywne konsekwencje dla naszego zdrowia - także zegara - tego biologicznego. Istnieje jednak jeszcze inny paradoks zegarów.

Zobacz też: Zmiana czasu na zimowy. Kiedy przypada i jak na nas wpływa?

Paradoks zegarów to bowiem nazwa eksperymentu myślowego w szczególnej teorii względności, który zwraca uwagę na pojmowanie czasu, przestrzeni i ruchu. Ukazuje to, co jest niedostrzegalne w codziennym pędzie - a na co wskazywał Einstein - że czas nie jest uniwersalny, nie ma charakteru absolutnego.

Zagadnienie to jest znane także jako paradoks bliźniąt, można je bowiem zobrazować poniższą historią:

W jednym punkcie wszechświata, przyjmijmy, że na Ziemi, rodzą się bliźnięta. Jedno z nich pozostaje w miejscu urodzenia, natomiast drugie zostaje wysłane w podróż w przestrzeń kosmiczną na pokładzie szybkiego statku kosmicznego. 

Po jakimś czasie statek ten zawraca z kosmicznych wojaży i w końcu ląduje w tym samym miejscu, w którym znajduje się drugi bliźniak - na Ziemi. Bliźniaki spotykają się, a każdy z nich ma inną teorię na temat wieku tego drugiego.

Bliźniak, który został w miejscu urodzenia twierdzi, że skoro jego przebywający na statku brat poruszał się względem niego, to po powrocie na pewno jest młodszy.

Bliźniak astronauta myśli natomiast, że w jego układzie odniesienia to brat, który pozostał na Ziemi, poruszał się względem niego. Czyli w konsekwencji podróżnik powinien być starszy. 

Jak to jest? W rozmowie z Geekweekiem dr hab. Krzysztof Hełminiak, profesor Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika Polskiej Akademii Nauk w Zakładzie Astrofizyki I w Toruniu rzucił nieco światła na to zagadnienie.

Dyskusje nad pozornym paradoksem bliźniąt i wolniejszym upływem czasu dla podróżujących z dużą prędkością są często podejmowane przez naukowców. Jak to wygląda?

- Rzeczywiście, w swoim oryginalnym ujęciu eksperyment myślowy z bliźniakami daje paradoksalną sytuację. Z punktu widzenia szczególnej teorii względności żaden z braci nie jest wyróżniony, o ile bliźniak-podróżnik porusza się zawsze ze stałą prędkością. To jest jednak niemożliwe i w tym tkwi klucz do rozwiązania paradoksu - zaznacza w rozmowie z Geekweekiem dr hab. prof. Krzysztof Hełminiak.

Ten eksperyment myślowy wiąże się z przewidzianym przez Einsteina zjawiskiem dylatacji czasu. Chodzi w nim o opóźnianie się zegarów poruszających się z dużą prędkością lub znajdujących się w silnym polu grawitacyjnym. Istnienie dylatacji czasu wielokrotnie potwierdzono eksperymentalnie.

W paradoksie zegarów poruszone jest otrzymywanie odmiennych wyników w pomiarach czasu w przypadku dokonywania ich równolegle w dwóch różnych układach odniesienia, z których jeden przemieszcza się względem drugiego. Jak to więc jest z tym czasem w przestrzeni kosmicznej? 

- Jak już wspomniałem, podróżnik nie mógłby się poruszać ze stałą prędkością. Musiałby przyspieszać i hamować, działałyby na niego zmienne siły i przyspieszenia, więc nie znajdowałby się w inercjalnym układzie odniesienia. A dla szczególnej teorii względności tylko inercjalne układy odniesienia są nierozróżnialne. Dylatacja czasu jest jednak jak najbardziej prawdziwa. Należy o niej pamiętać, gdy ciała znajdują się w silnych polach grawitacyjnych, np. czarnych dziur, gwiazd, czy nawet planet. Na powierzchni Ziemi przyciąganie grawitacyjne jest większe niż np. na orbicie okołoziemskiej - wyjaśnia dr hab. prof. Hełminiak.

Zobacz też: Naukowcy potwierdzają przewidywania Einsteina. Zaskakujące informacje o czarnych dziurach

Brzmi to niczym scenariusz z filmu science-fiction, ale obserwacja tych procesów jest możliwa. Dylatację czasu da się potwierdzić. Zdaniem naukowców, takie rozsynchronizowanie zegarów jest w sposób bardzo znaczący widoczne co prawda dopiero w określonych warunkach, ale nawet pomijając ten aspekt, można uzyskać mierzalne różnice. 

- Różnica w upływie czasu jest naprawdę niewielka, ale wystarczająca, żeby musiały ją uwzględniać systemy globalnego pozycjonowania, takie jak GPS - zwraca uwagę profesor Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika Polskiej Akademii Nauk.

Wchodzące w skład system GPS krążące wokół Ziemi satelity są wyposażone w zegary atomowe. Ponieważ urządzenia poruszają się z dużą prędkością, a przy tym znajdują się w większej odległości od źródła pola grawitacyjnego, podlegają dylatacji czasu. 

Ciekawym doświadczeniem ukazującym te różnice w upływie czasu jest tzw. Eksperyment Hafele - Keatinga wykonany przez fizyka Josepha Carla Hafele i astronoma Richarda E. Keatinga. Naukowcy zabrali zegary atomowe na pokłady samolotów i udali się w podróż dookoła świata. 

Zegary te odbyły w ten sposób długie, dość szybkie podróże, startując w różnych kierunkach (wschód-zachód i zachód-wschód). Wyniki eksperymentu z 1971 r. opublikowano w "Science" w 1972 r. Naukowcy wykazali, że dane z tych zegarów w ruchu faktycznie różniły się względem tego, co wskazywały stacjonarne zegary z obserwatorium. Zdaniem naukowców, którzy przeprowadzili eksperyment, różnice te były zgodne z przewidywaniami na temat dylatacji czasu.

W późniejszych latach różni naukowcy powtarzali tego typu eksperymenty w sposób bardziej złożony i precyzyjny, uzyskując jednak podobne wnioski. Tym samym utwierdzono się w przekonaniu, że przewidywania szczególnej i ogólnej teorii względności zostały dostatecznie zweryfikowane.

Jak to więc jest z tym paradoksem? Wyjaśnienie zagadnienia wskazuje, że efekty dylatacji możnaby zmierzyć, gdyby wręczyć bliźniakom zegary i dokonać obliczeń na podstawie wysyłanych przez nich każdego roku sygnałów, gdzie po przebyciu drogi 5 lat świetlnych podróżnik zawraca na Ziemię. 

W skrócie, autorzy "Wstępu do fizyki" wskazują, że po przeliczeniu, ile każdy z bliźniaków wysłał sygnałów (pomijając problemy związane z rozpędzaniem, zawracaniem i innymi aspektami podróży rakietą dla uproszczenia zagadnienia), wyszłoby, że bliźniak-podróżnik byłby młodszy od brata, który został na Ziemi. 

Podsumowując, czas od zawsze fascynował ludzi i pozostaje niezwykle złożonym pojęciem. Dzięki licznym odkryciom naukowców z różnych dziedzin nasza wiedza o nim stale się poszerza, jednak wiele pytań wciąż pozostaje bez odpowiedzi lub jednoznacznego potwierdzenia - co tylko napędza dalsze poszukiwania i odkrycia. Pozostaje liczyć na to, że bardziej przyziemne problemy z czasem, takie jak zmiany czasu z letniego na zimowy i z zimowego na letni odejdą do lamusa. Wtedy tym bardziej będzie można odetchnąć z ulgą, że to koniec z zaburzaniem zegara biologicznego - i skupić uwagę na bardziej wzniosłych i ciekawych zagadnieniach.

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 90 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!