Czas w fizyce

Spis treści

1. Pojęcie
czasu.

2. Czas w różnych układach
odniesienia.

5. Zjawiska związane z
czasem.

3. Mierzenie
czasu.

4. Podział
czasu.

Koniec 

Pojęcie czasu

Czas to jedna z podstawowych (oprócz przestrzeni)

form bytu materii. Termin ten zwykle rozumiany jest w

fizyce jako wielkość służąca do chronologicznego

szeregowania zdarzeń.

U podstaw określenia pojęcia – czas – leży pojęcie

stosunku równości trwania procesów lub okresów

czasu.

W dzisiejszych czasach, w życiu codziennym czas

traktuje się jako wielkość absolutną, tzn. czas płynie

sam przez się i dzięki swej naturze jednostajnie, a

niezależnie od jakiegokolwiek przedmiotu

zewnętrznego.

W fizyce jednostką czasu (SI) jest sekunda [t] = s.

Koncepcja czasu wg

Newtona

Czas w teorii

względności

Chwila

 Spis treści

Według Isaaca Newtona (1642-1727)

czas jest wielkością bezwzględną,

absolutną (stąd pojęcie czasu

absolutnego), niezależną od

przestrzeni i jakichkolwiek czynników

fizycznych- upływa on jednakowo we

wszystkich układach odniesienia.

Koncepcja ta była dominująca w XIX

wieku.

Czas absolutny

 Wstecz

Koncepcja czasu według Newtona

Posługiwanie się czasem dla charakteryzowania

zdarzeń i zjawisk pod względem kolejności ich

występowania i trwania wymaga stworzenia

możliwości określenia chwili jako współrzędnej

czasowej. Określa ona czas zajścia zdarzenia oraz

określa odstęp czasowy między poszczególnymi

chwilami. Do tego celu służą skale czasu,

realizowane za pomocą wybranych stabilnych

zjawisk okresowych. W każdej takiej skali umownie

przyjmuje się wybraną chwilę jako początkową oraz

określa jednostkę czasu, związaną z okresem danego

zjawiska.

 Wstecz

Chwila

W świecie Newtona przestrzeń i czas były dwoma

niezależnymi tworami. Przestrzeń absolutna pozostawała

stale jednakowa niezależnie od materii, a czas absolutny

upływał jednostajnie . Albert Einstein (1879 – 1955)

stworzył swoją własną koncepcję, w myśl której pojęcie

jednoczesności zależne jest od układu odniesienia a nie

ma charakteru czasu absolutnego. Obalił on pojęcie

absolutnego czasu i przestrzeni. Powstało pojęcie

czasoprzestrzeni (czterowymiarowe continuum), które

zakładało, że czas i przestrzeń to wzajemnie ze sobą

powiązane zjawiska fizyczne. Zgodnie z tą teorią czas jest

zależny od rozkładu materii. Odstępy czasu i odległości

przestrzenne nie są zależne od układu odniesienia, ale od

odległości między zdarzeniami w czasoprzestrzeni. W

świetle teorii względności odczucie czasu i przestrzeni

jest poprawne w odniesieniu do zjawisk życia

codziennego, gdzie ciała poruszają się z bardzo małymi

prędkościami w stosunku do prędkości światła.

 Wstecz

Czas w teorii względności

 Do czasu

absolutnego

Czas w różnych

układach

odniesienia

W różnych układach odniesienia czas płynie

różnie. Jak to zilustrować? Przypuśćmy, że w

rakiecie pędzącej ze stałą prędkością siedzi

pasażer i czyta książkę oświetloną światłem.

Według pasażera rakiety światło przebędzie

drogę od żarówki do książki w pewnym czasie.

Jednak obserwator związany z Ziemią stwierdzi,

że czas dojścia światła z żarówki do książki

będzie dłuższy, bo w tym czasie książka wraz z

rakietą przesunęła się, a szybkość światła jest

taka sama według obu obserwatorów.

Co to są układy odniesienia?

 Spis treści

Mechanika, a w szczególności I zasada dynamiki

Newtona lub teoria względności, posługuje się pojęciem

układu odniesienia. Układ odniesienia najczęściej wiąże

się z jakimś obiektem materialnym (choć właściwie

ścisły związek z jakimś ciałem nie jest absolutnie

konieczny) i definiuje nam co rozumiemy przez stan

spoczynku. Bo swoim układzie odniesienia sam układ

pozostaje oczywiście w spoczynku - jako że nic nie

porusza się względem samego siebie. Przykładowo

układ odniesienia można związać z Ziemią. W tym

układzie Ziemia znajduje się w spoczynku, a wszystkie

obiekty poruszające się względem niej – w ruchu. W

ruchu będzie więc lecący samolot (i fotele

zamontowane do tego samolotu), hamujący samochód,

lecąca mucha. W spoczynku względem Ziemi będzie

dom, albo góra, która się na tej Ziemi znajduje. Jednak

układ ten można odnieść także do lecącego samolotu –

w tym układzie w ruchu będzie Ziemia, dom czy góra

natomiast samolot oraz jego fotele będą w spoczynku.

Co to są układy odniesienia?

 Wstecz

Mierzenie czasu

W miarę rozwoju gospodarki nasilała się

potrzeba dokładniejszej orientacji w czasie.

Wyłoniła się konieczność określania pory

dnia, mierzenia czasu, opierającego się na

zjawisku pozornego ruchu Słońca względem

Ziemi. Polegało to na obserwacji cienia, jaki

rzucał drewniany pręt wbity prostopadle w

ziemię. Sposób ten wykorzystano do budowy

pierwszych zegarów.

Zegar słoneczny

Zegary wodne

Zegary świecowe

Zegary wahadłowe

Zegary atomowe

 Spis treści

Zegar słoneczny

Najstarsze czasomierze to zegary słoneczne,

budowane w Starożytności. Godzinę określał cień

wskaźnika padający na skałę. Najprostszym typem

zegara słonecznego były, tzw. gnomony. Były to

pionowe kamienne słupy, wznoszone na płaskim,

równinnym terenie. Cień słupów, wędrujący w ciągu

dnia po powierzchni ziemi, spełniał rolę wskazówek

zegarów współczesnych. Wadą gnomonów, jak i

zegarów słonecznych była mała dokładność oraz

przydatność ograniczona tylko do okresów dziennych

i bezchmurnego nieba.

 Wstecz

Zegary wodne

Z czasem zaczęto mierzyć czas za pomocą wody lub

piasku. Upływ czasu wyznaczał ubytek wody,

sączącej się z kamiennego naczynia. Odcinek czasu,

jaki mijał, zanim naczynie opróżniło się całkowicie,

stanowił jeden okres. Po jego upływie naczynie

napełniano ponownie i mierzono następny okres.

Używane były one w Chinach: doba podzielona była

na 12 okresów.

 Wstecz

Zegary świecowe

Kolejnym typem czasomierzy były zegary świecowe.

Zegar taki stanowiła świeca, która posiadała specjalną

podziałkę. Spalała się ona równomiernie, wyznaczając

tym samym upływ czasu na podziałce. Niekiedy do

świec dodawano pręciki sporządzane z wonnych

kadzideł, które sygnalizowały poszczególne okresy

czasu odpowiednim, właściwym im zapachem.

 Wstecz

Zegary wahadłowe

Zegary wahadłowe jako pierwsze były w stanie mierzyć

sekundy. Pierwszy zegar wahadłowy skonstruował

Christian Huygens. Zegary te posiadały już tarczę z

cyframi, oznaczającymi poszczególne godziny i okresy

oraz dwie wskazówki: godzinną i minutową.

 Wstecz

Zegary atomowe

Najdokładniejszym zegarem jest zegar atomowy.

Chodzi on z dokładnością do jednej sekundy na 300

000 lat. W tym zegarze do mierzenia czasu

wykorzystuje się okres promieniowania

elektromagnetycznego emitowanego lub

absorbowanego przez cząsteczki lub atomy.

 Wstecz

Podział czasu

CZAS

czas absolutny

czas własny

czas życia

okres

 Spis treści

Czas absolutny

Mechanika klasyczna (niutonowska) posługuje się

pojęciem absolutnego czasu, czyli czasu płynącego

identycznie we wszystkich układach odniesienia.

Teoria względności odrzuca założenie czasu

absolutnego, ponieważ doświadczenia związane z

obserwacją biegu promieni świetlnych nie dają się

pogodzić z tą ideą.

Teoria względności

 Wstecz

 Koncepcja
Newtona

Czas własny

W teorii względności (całkiem odmiennej od

koncepcji Newtona) powstało pojęcie czasu

własnego, czyli czasu wskazywanego przez zegar

poruszający się z ciałem. Zależy on zarówno od

prędkości, z jaką porusza się zegar, jak i od tego, w

jakim polu grawitacyjnym się on znajduje.

 Wstecz

Czas życia

Fizyka definiuje także czas życia. Jest to średni czas

istnienia nietrwałych mikroobiektów. Związany jest z

prawdopodobieństwem rozpadu a tym samym z

czasem połowicznego rozpadu czyli takim w ciągu

którego liczba nietrwałych jąder atomowych

(promieniotwórczych) zmniejsza się o połowę.

 Wstecz

Okres

W przypadku opisywania zjawisk powtarzających się

(periodycznych) pojęcie czasu przechodzi w

podobne do niego pojęcie okresu. Okres jest to czas

w jakim dokonuje się (średnio) jedno powtarzalne

zdarzenie.

Jednostką okresu jest sekunda: [T] = s

 Wstecz

Dylatacja (wydłużenie) czasu jest zjawiskiem, które

polega na opóźnianiu się zegara będącego w ruchu w

stosunku do zegara spoczywającego w pewnym

układzie odniesienia, bądź na opóźnianiu się zegara

znajdującego się w silnym polu grawitacyjnym. Jeżeli

np. będziemy obserwować zegarek umieszczony w

rakiecie poruszającej się z dużą prędkością, to

stwierdzimy, że zegarek ten spóźnia się względem

identycznego, znajdującego się na naszym ręku.

Dylatacja czasu

Czy zaobserwowano zjawisko

dylatacji?

Dalej 

 Spis treści

Zjawisko wolniejszego upływu czasu w układach

poruszających się jest powszechnie obserwowane przez

fizyków badających cząstki elementarne w

akceleratorach. Większość tego typu cząstek rozpada się

samorzutnie po pewnym czasie. Jednak cząstki

poruszające się z dużymi prędkościami mają wyraźnie

dłuższy czas życia. I wartość tego wydłużenia jest zgodna

z wzorami relatywistycznymi.

Zjawisko dylatacji czasu zaobserwowano też bardziej

bezpośrednio. Bardzo dokładne zegary atomowe wysłane

w jednej z rakiet spóźniały się dokładnie w takim stopniu

jak przewiduje to teoria względności.

Czy zaobserwowano zjawisko

dylatacji?

 Wstecz

 Spis treści

Zjawisko wydłużania się czasu obserwowanego w obiekcie

poruszającym się prowadzi do ciekawych problemów

interpretacyjnych. Najbardziej znanym jest paradoks

bliźniąt. Wyobraźmy sobie dwójkę braci bliźniaków. Jeden z

nich wyrusza w kosmos do odległej galaktyki. Powrót

następuje po 10 latach wg zegara pokładowego. W tym

czasie na Ziemi upłynęło 71 lat i drugie z bliźniąt jest już 91

letnim staruszkiem. Do tej opowieści należy dołączyć

wnioski wynikające z teorii względności. Ponieważ brat

kosmonauta poruszał się z prędkościami bliskimi prędkości

światła, to oczywiście jego czas płynął wolniej niż czas

brata na Ziemi (związane jest to oczywiście z dylatacją).

Czas w układzie kosmonauty płynął wolniej, dlatego jest on

młodszy od swego brata.

Paradoks bliźniąt

ALE...

Na koniec 

 Spis treści

Paradoks zaczyna się w momencie, gdy zadamy

sobie pytanie, który z braci jest rzeczywiście

stary, a który młody? Wyobraźmy sobie, że

Ziemia jest także wielkim pojazdem kosmicznym

– innym układem odniesienia niż rakieta z

kosmonautą. Z tego punktu widzenia bliźniak,

który został na Ziemi powinien zestarzeć się

wolniej. Nie ma przecież wyróżnionych układów
odniesienia, może więc jednak kosmonauta jest

starszy od brata, który został na Ziemi?

Paradoks wreszcie jest, bo absolutnie nie widać

powodu dla którego tylko jeden z braci miałby

okazać się lepszym w tym wyścigu po młodość.

 Wstecz

ALE...

 Spis treści

Paradoks na ilustracjach



Bibliografi

• Internet
• Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych, M. i K.

Fiałkowscy, ,

B. Sagnowska, wyd. ZamKor, Kraków 2004
• Encyklopedia Popularna PWN, Warszawa 1997

Koniec

Autorka:

 Spis treści

Document Outline