17 Lipca 2026
Aktualności
Odważę się zacząć naszą rozmowę od pytania, czym jest czas, chociaż zdaję sobie sprawę, że jednoznaczna odpowiedź jest niemożliwa.
Czas należy do tych pojęć, które wydają nam się absolutnie oczywiste, dopóki nie próbujemy ich zdefiniować. Dziś potrafimy go mierzyć z niewiarygodną dokładnością, ale na pytanie o to, czym jest czas, nadal nie jesteśmy w stanie udzielić jasnej odpowiedzi. W codziennym doświadczeniu czas kojarzy się przede wszystkim z przemijaniem – mamy świadomość, że teraźniejszość nieustannie umyka i przechodzi w przeszłość. Podstawą naszego naturalnego i na swój sposób obiektywnego doświadczania czasu, są rytmy przyrody. Najbardziej oczywisty jest rytm dobowy, związany z obrotem Ziemi wokół własnej osi i następstwem dnia oraz nocy. Z punktu widzenia fizyki czas jest mocno związany z miarą uporządkowania, ponieważ natura nieustannie przechodzi do stanów coraz mniej uporządkowanych. Określa się to mianem entropii, którą w uproszczeniu można rozumieć jako miarę nieuporządkowania lub rozproszenia energii. Druga zasada termodynamiki mówi, że w układzie izolowanym entropia nie maleje. Filiżanka może spaść ze stołu i rozbić się na kawałki, ale nie jest raczej możliwe, by kawałki same z siebie złożyły się z powrotem w całą filiżankę i wskoczyły na stół. Jest to coś, co fizyka ujmuje poprzez pojęcie tzw. strzałki czasu i kauzalnej natury otaczającej nas rzeczywistości, czyli deterministycznego przejścia od przyczyny, poprzez teraz, aż do skutku.
Człowiek niemal od zawsze rozmyślał nad czasem jako czymś, co pozwala porządkować zdarzenia. Dlatego też próbował i nadal próbuje tworzyć urządzenia, dzięki którym będzie potrafił ten czas jak najlepiej kontrolować.
Oczywiście. Pierwsze urządzenia do mierzenia odcinków czasu to były zegary wodne (odmierzające czas przez przepływ wody z jednego naczynia do drugiego albo przez zmianę poziomu wody) lub zegary piaskowe, działające według podobnej zasady, tylko za pomocą piasku. Czas mierzono również poprzez spalanie świecy, lampy oliwnej, kadzidła albo specjalnego sznura. Wszystkie te metody były mało dokładne, ale miały dość znaczącą zaletę: pozwalały mierzyć czas tam, gdzie nie było dostępu do obserwacji nieba. Pory dnia odmierzano za pomocą zegarów słonecznych, których ograniczeniem była jednak zależność od obecności słońca na niebie. Przełomem były zegary mechaniczne, które w Europie pojawiły się na przełomie XIII i XIV w. Początkowo zegary te były stosunkowo niedokładne, ale wprowadziły nową ideę, w myśl której czas – w sensie zdefiniowanych godzin – można było nie tylko obserwować na niebie, lecz także odtwarzać za pomocą urządzenia. Później to wszystko stopniowo unowocześniano. Ważnym momentem było skonstruowanie w 1656 roku przez Christiaana Huygensa pierwszego praktycznego zegara wahadłowego, który był ogromnym skokiem, jeśli chodzi o dokładność, bo zamiast błędów liczonych w dziesiątkach minut dziennie, można było stopniowo osiągać dokładność rzędu kilku sekund.
A dokładniejsze i wygodniejsze niż mechaniczne stały się zegary kwarcowe.
W 1880 roku Jacques i Pierre Curie odkryli zjawisko piezoelektryczne, polegające na tym, że niektóre kryształy, na przykład właśnie kwarc, pod wpływem nacisku wytwarzają napięcie elektryczne, a pod wpływem napięcia mogą drgać mechanicznie. Drgania są z kolei najważniejszym elementem w pomiarze czasu, wszak wspomniane wcześniej wahadło to nic innego jak element drgający. I tak w 1927 roku Warren Marrison i J.W. Horton zbudowali pierwszy zegar kwarcowy, który oparty był o drgania zachodzące z bardzo dużą stabilnością. Jednak jeszcze większą dokładność w pomiarach czasu przyniosły zegary atomowe. Pierwszy zegar atomowy wykorzystujący amoniak powstał w 1949 roku w amerykańskim National Bureau of Standards. Zegary atomowe przetwarzają pewne zjawiska promieniste w sygnał sinusoidalny o stabilności tak wielkiej, że nawet po milionie lat wiemy, kiedy pojawi się następna faza dodatnia lub ujemna sinusoidalnego przebiegu. Tak duża stabilność sprawia, że ich błąd odpowiada mniej więcej sekundzie na miliardy lat. Dzięki temu mogą być one fundamentem systemów nawigacji satelitarnej GNSS, ponieważ bez precyzyjnej synchronizacji czasu odbiornik na Ziemi nie byłby w stanie obliczyć swojego położenia z dokładnością do metrów.
Myślenie o czasie zrewolucjonizowała szczególna teoria względności Alberta Einsteina z 1905 roku, która wykazała – co potwierdzono doświadczalnie – że czas nie płynie dla a dla Ziemi całe dekady, a nawet stulecia. W powieści Stanisława wszystkich tak samo.
Rzeczywiście, możemy powiedzieć, że rewolucja w rozumieniu czasu dokonała się w fizyce w XX wieku. W mechanice Newtona czas był absolutny – płynął jednakowo dla wszystkich obserwatorów, niezależnie od ich ruchu, położenia i stanu. Dzięki odkryciom Einsteina okazało się, że czas nie jest niezależny od przestrzeni i ruchu. Można to zobrazować następującym przykładem: pani ma na ręku zegarek, a ja patrząc na niego, widzę jego wskazanie, ale sprzed czasu, jaki potrzebował sygnał, aby dotrzeć od tego zegarka do moich oczu. Jeśli znajdowałaby się pani w odległości jednej minuty świetlnej ode mnie, to zaobserwowałbym, że na pani ręku jest 10:11, ale w tym samym momencie u pani byłaby już 10:12. Jest to już pewien dysonans – oczywiście na Ziemi nie ma to większego znaczenia, ale z punktu widzenia odległości w kosmosie prędkość przekazywania informacji jest istotna. Dlatego na bazie szczególnej teorii względności pojawiło się pojęcie czasu własnego – dzisiaj nie mówimy już o tym, że czas jest taki sam dla wszystkich, tylko że płynie w różny sposób dla każdego elementu we Wszechświecie. Mówimy o dylatacjach czasu związanych z prędkościami (przy dużych prędkościach tempo upływu czasu jest mniejsze) oraz o grawitacyjnej dylatacji czasu, co oznacza, że w pobliżu masywnego obiektu czas płynie wolniej niż daleko od niego.
Paradoks bliźniąt.
Tak, ten myślowy eksperyment wymyślony przez Paula Langevina w 1911 roku ilustruje konsekwencje dylatacji czasu. Polega na tym, że jedno z bliźniąt pozostaje na Ziemi, a drugie odbywa podróż kosmiczną z prędkością bliską prędkości światła i wraca. Po ponownym spotkaniu to z bliźniąt, które odbyło kosmiczną podróż, jest młodsze od bliźniaka, który pozostał na Ziemi.
Trochę jak w filmie „Interstellar” Christophera Nolana.
Tak. W tym filmie pobyt w pobliżu masywnego obiektu prowadzi do dramatycznej różnicy między czasem przeżywanym przez bohaterów a czasem płynącym dla ludzi daleko od silnego pola grawitacyjnego. Film spopularyzował pojęcie grawitacyjnej dylatacji czasu. Przedstawienia klasycznego paradoksu bliźniąt znajdujemy również w innych wytworach kultury. W książce „Wieczna wojna” Joego Haldemana czas pojawia się poprzez relatywistyczne konsekwencje podróży międzygwiezdnych. Żołnierze walczący w kosmosie wracają do społeczeństwa, które zdążyło całkowicie się zmienić – dla nich mija stosunkowo krótki, a dla Ziemi całe dekady, a nawet stulecia. W powieści Stanisława czas,Lema „Powrót z gwiazd” bohater wraca na Ziemię po 127 latach, w czasie których postarzał się ledwie o 10 lat. Są to przykłady dzieł kultury, które wykorzystują dylatację czasu do opowiedzenia o wyobcowaniu, wojnie czy utracie więzi z własną epoką.
Czas jest ważny również w badaniach kosmosu, którymi zajmują się państwo w Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego UWM.
Tak, w tym kontekście interesuje nas przede wszystkim synchronizacja czasu. Badamy kosmos przy pomocy urządzeń, które tworzą dość rozbudowane układy. W naszym przypadku jest to sieć LOFAR, w której są trzy radioteleskopy umieszczone w Polsce, w tym należący do UWM, oraz kilkadziesiąt innych rozsianych po Europie. Zwyczajowo prowadzimy obserwacje za pomocą wielu narzędzi w tym samym momencie, co nazywane jest interferometrią wielkobazową. Najważniejsze jest to, aby w każdym miejscu obserwacji wiedzieć dokładnie, która jest godzina. Dlaczego to jest takie ważne? Dlatego, że informacja rozchodzi się z prędkością światła i gdy obserwujemy jakiś obiekt, to czasami jest tak, że ta sama informacja trafia do detektorów naszego radioteleskopu trochę wcześniej niż do tych we Francji. Musimy to delikatne opóźnienie wziąć pod uwagę, bo inaczej skorelujemy te obserwacje niewłaściwie. Dlatego, oprócz ścisłych danych, które są rejestrowane, notowany jest jeszcze dokładny znacznik czasu. Jest to możliwe m.in. dzięki wspomnianym sieciom GNSS. Im długość fali jest mniejsza, czyli im częstotliwość obserwacji większa, tym dokładniejsze muszą być urządzenia do pomiaru czasu.
Im dokładniej mierzymy czas, tym bardziej mnożą się pytania o jego naturę.
Czas fascynuje nas nie tylko jako wielkość fizyczna, ale także jako ludzkie doświadczenie. Chcielibyśmy cofnąć błędy, zobaczyć przyszłość, zatrzymać szczęśliwe chwile, odzyskać tych, których straciliśmy albo uciec przed przemijaniem. Maszyna czasu stała się przecież jednym z najbardziej rozpoznawalnych motywów z gatunku fantastyki naukowej. H.G. Wells w swojej powieści „Wehikuł czasu” z 1895 roku potraktował czas jako wymiar, po którym można podróżować podobnie jak po przestrzeni. Należy mieć świadomość, że nie jest to jedynie techniczna fantazja, ale raczej opowieść o tym, jaka przyszłość czeka ludzkość, o ewolucji oraz o nierównościach klasowych. Nauka uczy nas jednak pokory, bo na razie nie znamy wehikułów czasu, które pozwalałyby przenosić się do przeszłości. Wiemy natomiast, że czas nie jest tak prosty, jak mogłoby się intuicyjnie wydawać. Zegary poruszające się szybko lub znajdujące się w silnym polu grawitacyjnym nie odmierzają czasu tak samo. Czas biologiczny nie jest identyczny z czasem atomowym. Czas psychologiczny nie jest identyczny z czasem fizycznym. A czas kosmiczny obejmuje skalę miliardów lat, wobec której ludzkie życie jest krótkim błyskiem świadomości.
Jakie jest największe wyzwanie stojące przed nauką w kontekście czasu?
Być może odkrycie najmniejszej jednostki czasu mogłoby mieć znaczenie dla naszego rozumienia fizyki, jeszcze głębszego poznania natury rzeczywistości, którą – jak na razie – w dość ogólny sposób potrafi opisywać jedynie fizyka kwantowa. Dzisiaj najmniejszą naturalną jednostką czasu jest czas Plancka, który wynika z połączenia trzech fundamentalnych stałych fizycznych: prędkości światła, stałej grawitacji oraz zredukowanej stałej Plancka. Wynosi on około 5,39x10 do -44 potęgi sekundy. Jest to najkrótsza skala czasu, na której obecne prawa fizyki mają sens, ale nie wiemy, czy jest to granica natury. Niektóre teorie grawitacji kwantowej sugerują istnienie bardziej fundamentalnej struktury czasoprzestrzeni, ale jak dotąd nie zostało to potwierdzone.
Rozmawiała Marta Wiśniewska
Dr hab. Leszek Błaszkiewicz pracuje w Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego UWM. W pracy naukowej zajmuje się badaniem wpływu jonosfery na propagację sygnałów radiowych od źródeł astrofizycznych. Popularyzuje naukę – jest współtwórcą programu #PopScience na kanale „Astrofaza” w serwisie YouTube. W wolnych chwilach oddaje się literaturze SF oraz muzyce elektronicznej, czym dzieli się w cotygodniowej audycji „Słodki Smak el-Muzyki” w Radiu UWM FM.
Tekst ukazał się w czerwcowo-lipcowym numerze "Wiadomości Uniwersyteckich", którego tematem przewodnim jest czas. Wspólnie z naukowcami UWM przyglądamy się przestrzeniom, w których albo rzuca się mu wyzwanie (medycyna z ratownictwem na czele), albo próbuje się przewidzieć skutki jego upływu (ekonomia, polityka społeczna). Sprawdzamy też, jak nauka, a wraz z nią technika, próbują czas... oszukać. Nie zapominamy też o sukcesach naszej społeczności i najważniejszych wydarzeniach z życia uczelni. Wszystkie wydania naszego uniwersyteckiego pisma dostępne są na >>> stronie internetowej.
