Czym jest czas? Jak go zdefiniować?

Czym jest czas? Każdy wie, ale i niekoniecznie wie jednocześnie. Każdy z nas umie go (chyba) odczytywać na różnych urządzeniach, coraz bardziej zresztą precyzyjnych. Ale co to jest ten czas?

Inspiracją do napisania tego materiału był cytat, odnaleziony przeze mnie przypadkowo o następującej treści:

czym jest czas, co to jest czas

Wrzuciłam nawet taki cytat na swojego Fanpage’a na Facebooku i pewnie na tym temat by się skończył, gdybym dwa dni później nie natrafiła na pewną ciekawostkę w podręczniku do termodynamiki, który sobie czytałam (takie tam rozrywki :)). Jakaż to była ciekawostka?

Czym jest czas – pomiar Galileusza

Dotyczyła ona sposobów pomiaru, który – jeśli ma odpowiednio zdefiniować wielkość fizyczną – może być dowolny, byleby był powtarzalny. Jako przykład ilustrujący dowolność pomiaru przedstawiono sposób, w jaki Galileusz badał ruch jednostajnie przyspieszony. W tym celu mierzył on do pomiaru czasu masę wody, która przepłynęła podczas ruchu ciała. Skoro Galileusz mierzył masę wody do pomiaru czasu, to wychodzi z tego, że mierzył on czas w gramach i co więcej – był przy tym tak precyzyjny, że jego wyniki były o zbliżonej dokładności do wskazań zegarków z XIX wieku, czyli po upływie jakichś 200 lat! Ale wyobraźcie sobie, co by było, gdyby się to przyjęło? 🙂 Nie pytasz się już nikogo, która jest godzina, tylko np. który jest kilogram 😀

Wracając jeszcze do Galileusza – skoro mierzył on przepływ wody, to może stąd pochodzi to wyrażenie, że czas płynie? No bo w sumie, dlaczego czas miałby płynąć? Zadziwiające jest to, jak czasami wyrażenia przechodzą do mowy codziennej – zależnie od tego, co Galileusz, czy inny badacz przyjąłby do pomiarów, my byśmy tak mówili – np. ale ten czas kica, fruwa, skacze, muczy, tańczy, recytuje, dzwoni czy uderza.

Czym jest czas – ujęcie fizyczne

Fizyka, jak to fizyka, przy definicji wszystkiego musi mieć wzorzec. Wzorzec stanowi coś, do czego porównujemy uzyskany pomiar wielkości- w oparciu o jakąś skalę, której najmniejszą wartość nazywa się jednostką. Kiedyś na przykład mierzono długość w łokciach – wszystko fajnie, tylko łokcie były różne, co prowadziło do nadużyć. Jak było z czasem? Prozaicznie mierzono czas upływami dni lub nocy, Indianie podawali, że coś było ileś księżyców temu, ktoś ma ileś wiosen na karku (ciekawe, jak tam weszły) i takie tam. Nie były to pomiary zbyt precyzyjne.

Z czasem badacze przyjęli wzorzec dnia, wyznaczony na podstawie okresu obrotu Ziemi wokół własnej osi. W odniesieniu do wyliczonej wartości przyjęto pomniejsze jednostki – dnia, godziny i tak dalej. Były one stosowane przez wiele stuleci, ale w końcu znowu stały się niewystarczające. Znowu na marginesie – w takim roku 1792 roku, po wprowadzeniu układu metrycznego (i tych przedrostków – wielokrotności dziesiątek – mili, mikro, kilo, itp.) próbowano przeforsować, żeby dzień miał 10 godzin a nie 12. Dzięki temu obliczenia byłyby prostsze. Pomysł ten się nie przyjął. Przez to stworzono dwunastogodzinne zegary kwarcowe wykalibrowane właśnie zgodnie z okresem obrotu Ziemi, ustalonym dzięki obserwacjom astronomicznym.

I ponownie – z czasem jednak tak wyznaczona jednostka przestała badaczom wystarczać. Stworzyli więc zegar atomowy, który jest tak dokładny, że po upływie 6000 lat, wskazania dwóch zegarów tego typu różniłyby się tylko o sekundę! A właśnie, odnośnie sekundy…

Co to jest sekunda?

Według ustalonej na XIII Konferencji Ogólnej ds. Miar i Wag definicji z 1967 roku:

Sekunda jest to czas 9 192 631 770 drgań promieniowania (o ustalonej długości fali), wysyłanego przez atom cezu-133.

Tak to fizycy sobie dokładnie zdefiniowali, żeby każdy na świecie mógł sobie porównać i zegarek porządnie nastawić 🙂 Innymi słowy, jak następnym razem będziecie ustawiać zegarek albo synchronizować zegarek z kolegą przed jakąś brawurową akcję zastosujcie ten wzorzec – i wszystko jasne, Wasze zegarki będą chodzić równo, jak się patrzy (czas płynie, a zegarki chodzą?).

Czym jest czas?

No dobra, my tu sobie gadu-gadu, ale ciągle nie napisałam, czym jest czas 🙂 Cytując Wikipedię (kto, jak nie ona ma znać odpowiedź? :)):

fizyce klasycznej czas jest samodzielną wielkością niezależną od innych wielkości biegnącą w takim samym rytmie w całym Wszechświecie.

Jest to zgodne z naszą intuicją i podobnie określał to już Newton (ten on jabłek). Żyjący na przełomie siedemnastego i osiemnastego wieku badacz stwierdził, że upływ czasu jest identyczny w każdym miejscu przez co czas ma charakter bezwzględny i absolutny. Dodatkowo nie zależy od różnego rodzaju czynników, nie da się go spowolnić, ani przyśpieszyć, ani w żaden inny znany człowiekowi sposób wpłynąć na jego właściwości.

Potem Newtona (gdyby tego dożył) wyprowadził z błędu Einstein ze swoją teorią względności, ale o tym to się już raczej nie będę rozpisywać, chyba, że będziecie chcieli, to stworzę część drugą tego materiału.

Czym jest czas? – ujęcie filozoficzne

Gdyby ktoś chciał mi zarzucić, że fizyka jest pokręcona i skomplikowana i w ogóle z tym cezem to fizycy pojechali po bandzie, to co powiecie na taką definicję czasu Heideggera (tutaj ponownie Wikipedia, nie mam takich książek w domu :D):

Czas nie „jest” obecny ani w podmiocie, ani też w przedmiocie; nie jest wewnątrz bytu, ani na jego zewnątrz i „jest” on „wcześniej” od wszelkiej subiektywności oraz obiektywności, ponieważ stanowi warunek możliwości nawet dla owego „wcześniej”. Jak więc czas w ogóle „jest”?

Nie wiem jak Wy, ale ja już wolę fizyczny bełkot od tego filozoficznego, mimo, że lubię sobie pofilozofować od czasu do czasu 🙂

Dygresja

Nie byłabym sobą, gdybym czegoś nie dodała. Skoro już wiecie, czym jest sekunda, to czy wiecie jak fizycy określają metr? Z metrem myślę, że jest nam łatwiej niż z sekundą – jak nam wszystkie zegarki wysiądą to klapa, trudno sobie samemu „wyczaić”, która jest godzina, ile czasu zajmuje minuta, itp. A z długością, to zawsze są jakieś metry krawieckie, linijki, kartka papieru A4 (standardowy rozmiar 297×210 mm), itp. Czyli wzorce są – początkowo w historii miar i wag stosowano pręty z platyny i irydu, na których wygrawerowano rysy, pomiędzy którymi był dokładnie metr. Z czasem zaczęli wydziwiać i od 1960 roku przyjęto, że metr to:

1 650 763,73 długości fali wybranej pomarańczowoczerwonej linii, wysyłanej przez atomy kryptonu-86 podczas wyładowania w czasie.

Brzmi niezrozumiale, więc chyba jest dokładne, co nie? 🙂 No nie do końca, w 1983 roku dokonano kolejnej rewolucji – tym razem na XVII Konferencji Ogólnej ds. Miar i Wag uznano, że:

Metr jest długością drogi, którą przebywa światło w próżni w czasie 1/299 792 458 sekundy.

Idealna definicja 🙂 Wsadzając jeszcze w to definicję sekundy wyjdzie nam:

Metr jest długością drogi, którą przebywa światło w próżni w czasie 9192631770 / 299792458 drgań promieniowania (o ustalonej długości fali), wysyłanego przez atom cezu-133.

Co mi przypomina taki materiał kaberetowy, co prawda o języku niemieckim, ale jednak zapętla się to precyzyjnie bardzo podobnie 🙂

I z tym Was zostawiam 🙂

Jeszcze tylko literatura:

R. Hołys, A. Poniewierski,. A. Ciach: Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów. Wydawnictwo Uniwersytetu Kardynała Wyszyńskiego, Warszawa 2003.

D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Podstawy fizyki 1. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011.