Zgodnie z obietnicą w tym wpisie pojawi się odpowiedź na pytanie zadane w sondzie. Otóż nie brzmi ona ani “prawda”, ani “fałsz”, bo samo pytanie jest trochę źle postawione.
Co to właściwie oznacza, iż “czas stoi w miejscu”? Chyba to, że z perspektywy obserwatora nie zachodzą żadne zdarzenia, tj. nic wokół niego się nie zmienia. Kot strącił wazon, ale ten nie doleciał do podłogi, gdyż czas nagle się zatrzymał. Wygląda to tak, jakby cały Wszechświat stanął w miejscu albo też (co na jedno wychodzi) absolutnie wszystkie obiekty we Wszechświecie zaczęły się poruszać w taki sposób, iż względem siebie znajdują się w stanie spoczynku.
Jest to oczywiście niemożliwe, gdyż taka sytuacja oznacza, że znamy położenie i pęd absolutnie wszystkich obiektów, a tego zrobić się w naszym Wszechświecie nie da: zasada nieoznaczoności stanowczo tego zabrania. Czasu nie można traktować jak czegoś, co płynie, a my to mierzymy; sekunda to nie ładunek elektryczny elektronu, choć jedno i drugie ma ściśle określoną wartość. Sekunda nie jest “ładunkiem czasu”, choć intuicyjnie tak ją traktujemy z uwagi na to, że to, co nazywamy “upływem czasu”, mierzymy za pomocą urządzeń zliczających przejścia pomiędzy stanami izotopu cezu. Gdy taka skomplikowana maszyna naliczy 9 192 631 770 okresów promieniowania, które odpowiadają przejściu pomiędzy wspomnianymi stanami tego pierwiastka, to mówimy że “minęła jedna sekunda”. I możemy tak mówić, choć coś nas wewnętrznie gryzie, bo przecież wiemy, że trzeba korygować wskazania tych niesamowicie dokładnych zegarów względem siebie; inaczej system GPS byłby totalnie bezużyteczny. Tym, co nas wewnętrznie gryzło zdanie wcześniej, jest przewidziana przez Einsteina dylatacja czasu.
Na czym polega dylatacja szyn kolejowych – myślę, że wszyscy wiemy: ulegają rozszerzeniu lub skurczeniu względem siebie pod wpływem warunków atmosferycznych. Jak się okazuje, z sekundą jest tak samo, choć właściwie to nie z sekundą, ale z czasem. Skoro zegar musi naliczyć dokładną liczbę okresów promieniowania, aby wskazówka się poruszyła o sekundę, to z tym się nic zrobić nie da i nie tu należy szukać przyczyny tego zjawiska. Zapomnijmy o definicji z układu SI: to wszystko jest o wiele prostsze, niż mogłoby się zdawać, tylko trzeba uświadomić sobie, co kryje się w pojęciu “czasoprzestrzeń”. No właśnie: jeśli pomyśleliście o wymiarach przestrzeni, to macie rację; pomyślcie dalej o tym, że w wymiarach da się poruszać w ten lub inny sposób. No to zastanówmy się, co z tego wynika. A jako że bardzo lubię sci-fi…
… to zbudujemy sobie w ramach eksperymentu myślowego zegar pingpongowy z wahadełkiem fotonowym! Foton idealnie się do tego celu nadaje: masy może i nie ma, ale za to zawsze porusza się ze stałą prędkością – z prędkością światła. Nasz zegar działa w ten sposób, iż foton podróżuje sobie w rurce od doskonałego zwierciadła na jednym końcu do takiego samego na drugim.
Myślę, że zasada działania tego zegara jest dość czytelna: ponieważ foton zawsze porusza się ze stałą prędkością, to po upływie sekundy musi koniecznie przebyć ściśle określony dystans. Skoro dystans jest zawsze taki sam, to wystarczy doliczyć (w tym przypadku) do 299 792 458 odbić fotonu od zwierciadeł, aby mieć pewność, że foton przebył dystans, który pokonuje w ciągu sekundy. Taki zegar jest równie dobry, jak ten oparty na cezie, tylko ze względów technicznych mało praktyczny.
Przyjmijmy jednak, że jakimś sposobem te zegary są w powszechnym użyciu i że to właśnie one są na pokładach satelitów budujących system GPS. Czy nadal trzeba będzie nanosić poprawki związane z dylatacją czasu? Odpowiedź brzmi: tak. Tylko tak naprawdę – dlaczego “tak”? Fotony są bezmasowe i zawsze poruszają się ze stałą prędkością, a dystans między zwierciadłami mają do pokonania ten sam.
fot. domena publiczna
Nie bez powodu pojawia się tu fotografia Einsteina rozmawiającego z Oppenheimerem. Bo obaj w tym momencie uśmiechnęliby się na moje stwierdzenie, iż “dystans do pokonania mają ten sam”. Einstein z pewnością zapytałby z uśmiechem: – Lucas, na pewno? Zastanów się nad tym co widzisz. – No to spójrzmy raz jeszcze, jak to wygląda w przypadku zegara, który mamy na biurku:
Zegar grzecznie stoi przed nami na biurku, a foton grzecznie podróżuje pomiędzy zwierciadłami (ilustracja ma oczywiście charakter poglądowy). No to teraz spójrzmy, jak to wygląda w przypadku zegara, który względem nas się porusza z dowolną prędkością, np. 0.99 c
Rurkę można oczywiście ustawić pod dowolnym kątem, a kierunek poruszania się względem nas nie musi być koniecznie “w górę”. Czy ścieżka, którą muszą pokonać obydwa fotony, aby wykonać wskazaną liczbę odbić od zwierciadeł, jest nadal taka sama, jak wydawało się na pierwszy rzut oka?
Przypominam że ilustracje mają charakter poglądowy, jednakże samo zjawisko ma charakter jak najbardziej rzeczywisty. Z samą sekundą czy metrem absolutnie nic się nie stało: w obydwu zegarach nadal musi nastąpić określona ilość zjawisk, aby “minęła sekunda”. Co więc się dzieje? Przypatrzcie się dokładnie, bo to banalne. Z samą prędkością światła nic się nie stało, to informacja o tym, co dzieje się na zegarze, który względem nas się porusza, ma dłuższy dystans do pokonania. Czasoprzestrzeń nie jest przecież sztywna, ale ugina się na różne sposoby. Jak jednak wygląda ta sytuacja z punktu widzenia fotonu?
I w tym momencie Einstein ma się prawo obrazić, bo pamiętamy o jednym z jego postulatów, a zapominamy o drugim, choć użyliśmy go do budowy tego zegara: prędkość światła w próżni jest równa c dla wszystkich obserwatorów! Co to oznacza?
Oznacza to, że nie ma takiego układu odniesienia, w którym prędkość samego fotonu względem innego obserwatora. byłaby równa 0 m/s! Prędkość światła jest stała, jest stała zawsze dla wszystkich obserwatorów i nigdy nie wynosi 0 m/s, a zawsze wynosi 299 792 458 m/s. Obojętnie, o jakim rodzaju obserwatora mowa. Prędkość dowolnego innego obiektu względem nas może w określonych warunkach wynosić wspomniane 0 i wówczas ów obiekt pozostaje względem nas w stanie spoczynku, ale nie istnieją takie warunki, aby prędkość światła wynosiła 0.
Gdyby wobec tego ktoś zapytał was o to, co widzi foton na zegarku, możecie albo puścić wodze fantazji, albo uszanować Einsteina i stwierdzić krótko: to pytanie nie ma sensu, bo nie ma zegarka, którego foton mógłby używać w ten sposób, jak my używamy swoich. Zjawisko dylatacji czasu obserwujemy nie dlatego, że “upływ czasu” da się w ten czy inny sposób przyśpieszyć, ale dlatego że prędkość światła jest stała dla wszystkich obserwatorów i dla żadnego nie wynosi zero. Gdy tylko przestajemy traktować czas jak coś, co płynie, a dostrzegamy, że to my w nim płyniemy, wszystko staje się o wiele prostsze. To nie foton zwolnił, ale dystans, jaki ma do przebycia, się zmienił. To nie “czas płynie”, ale to my poruszamy się w nim w ten lub inny sposób, który zależy od ugięcia całej czasoprzestrzeni. Z tego “poruszania się” w czasie można wyciągnąć ciekawe konsekwencje: bo czy uwierzylibyście, że ja mogę widzieć wydarzenia, które były “gdzieś”, w poniedziałek, a wy będziecie w stanie powiedzieć, co stało się tam w kolejny wtorek? Czy fizyka pozwala zajrzeć w przyszłość? O tym opowiemy sobie już kolejnym razem!
(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.