Jak udowodniono teorię Einsteina, czyli paradoks bliništ
Fizycy jako spadkobiercy filozofów przyrody od wieków rozważajš nad czasem. Starajš się dojć do tego, co decyduje o jego własnociach. Bardzo ciekawe i intrygujšce jest to, że najważ-niejsze, a za razem najabardziej ponadczasowe koncepcje czasu ukształtowały się już wkrótce po narodzinach nowożytnej fizyki.
Izaak Newton, zastanawiajšc nad istotš czasu, w roku 1687 pisał: Czas absolutny, praw-dziwy i matematyczny, sam z siebie i przez swš naturę, upływa równomiernie bez zwišzku z czym-kolwiek zewnętrznym i inaczej nazywa się trwaniem (według niemieckiego miesięcznika Das Be-ste cytat ten brzmi inaczej: Prawdziwy, matematyczny czas płynie równo, nie majšc odniesienia do żadnych procesów zewnętrznych). Wydaje się na zdrowy rozum, ze nie ma nic bliższego praw-dy. Przecież jeli nastawimy nasz zegarek według zegara na Zamku Królewskim, wskazówki obu mechanizmów będš posuwać się z tš samš prędkociš, niezależnie od tego, co robi właciciel ze-garka i co stanie się z Zamkiem. Czas płynie bez względu na to, jak usiłujemy nim manipulować. Nawet jeli nastawię swój zegarek na inny czas, i tak nie odbędę podróży w czasie. Przez ponad 250 lat fizycy byli przekonani, że Newton ma rację i wtedy pojawił się Albert Einstein.
Ten uczony w 1905 roku sformułował między innymi swoje szczeguły dotyczšce teorii względnoci. Powiedział: czas jest względny. Upływa z rozmaitš prędkociš w zależnoci od tem-pa poruszania się przedmiotów w przestrzeni. Jego praca "O elektrodynamice ciał w ruchu odnosi się do całej fizyki, ale pod pewnymi względami stoi w poważnej sprzecznoci z intuicyjnym rozu-mieniem czasu i przestrzeni. Jeżeli jego teoria względnoci odpowiada prawdzie, czas nie jest by-tem absolutnym. Wystarczy, bymy poruszali się dostatecznie szybko, czas zależy bowiem od szybkoci podróżujšcego. Przeczytałam, że fizycy ilustrujš to twierdzenie następujšcš opowiastkš: żyła niegdy para bliniaków, Ernest i Ernestyna. Ernestyna wyruszyła w jednodniowš podróż w przestrzeń. Rankiem wsiadła do rakiety, mknšcej prawie z prędkociš wiatła i poleciała w kosmos. Ernest został na Ziemi. Gdy po kilku godzinach siostra wróciła, ku swemu zdumieniu spostrzegła, że jej bliniaczy brat posiwiał, a jego twarz pokrywajš zmarszczki. Podczas podróży siostry na Ziemi upłynęło wiele, wiele lat.
Ernestyna, urodzona tego samego dnia, co jej brat, była teraz od niego o wiele młodsza, tylko dlatego, że z wielkš prędkociš podróżowała w kosmosie. Fizycy nazywajš to zjawisko para-doksem bliništ. Chodzi o to, że kobieta żyła w innym układzie odniesienia - szybko poruszajšcego się statku kosmicznego o własnej skali czasu. Gdy wylšdowała, wróciła do układu odniesienia swojego, gdzie czas płynšł dużo szybciej.
Przy pomocy niezwykle dokładnych zegarów naukowcy potrafiš można dowieć, że para-doks bliništ nie jest tylko science fiction. W padzierniku 1971 roku fizycy amerykańscy Joseph Hafele i Richard Keating umiecili na jego pokładzie jumbo jeta cztery precyzyjne i niezawodne zegary atomowe. Cztery inne zegary zostawiono na Ziemi, miały one pozwolić na porównania. Sa-molot, który startował z Waszyngtonu, dwukrotnie okršżył Ziemię. Gdy wylšdował, uczeni wstrzy-mali dech w piersiach. Podróżujšce zegary w istocie wykazywały około 300 miliardowych sekundy opónienia - dokładnie, jak przewidywał Einstein.
Różnica 300 miliardowych sekundy - to niewiele, nawet nie tyle, co mrugnięcie oka. Ale paradoks bliništ nadal ma duże znaczenie praktyczne. Statki, sterowane satelitarnie, muszš go brać pod uwagę, w przeciwnym razie zboczš z kursu o ładnych parę kilometrów.
Kolejnym przykładem jest zegar umieszczony na wieży Uniwersytetu Harvarda, który, jak wykazały precyzyjne pomiary przeprowadzone w 1960 roku, chodził szybciej niż ten 23 metry niżej.
Teoria Einsteina mówi też, że potężne masy materii - takie jak planety, gwiazdy czy czarne dziury - zniekształcajš przestrzeń, a zatem rozcišgajš bšd cieniajš czas. Uczony założył, że istnieje stałoć prędkoci wiatła. W każdym zakštku wszechwiata wiatło rozprzestrzenia się z jednakowš prędkociš, niezależnie od szybkoci poruszania się jego ródła. Czšsteczki wiatła zawsze rozchodzš się z prędkociš 300 000 kilometrów na sekundę. W matematycznych równa-niach teorii względnoci czas i przestrzeń sš nierozerwalnie ze sobš zwišzane - niczym nici w u-tkanym materiale.
Zrozumiałam to, gdy przeczytałam następujšcy dowód: Załóżmy, że z tego czasoprze-strzennego materiału upleciemy hamak. Każdy, kto utnie sobie w nim drzemkę, musi go w różnych miejscach rozcišgnšć. Gdy pišcy się porusza, wybrzuszenia materiału przesuwajš się w różne strony. Bardzo podobnie rozcišga się i kurczy czasoprzestrzeń, i to rzeczywicie, nie tylko teore-tycznie. Czas Einsteina nie jest już absolutny. Fizyk Claus Kiefer, jeden z czołowych niemieckich badaczy czasu, ilustruje to w następujšcy sposób: Jeżeli zmienię pozycję swego ciała, obracajšc się na krzele od biurka w stronę pokoju - zmieniam krzywiznę przestrzeni, a co za tym idzie, cza-soprzestrzeń tego pomieszczenia. A zatem czas płynie z różnš prędkociš w rozmaitych miejscach tego pokoju przed i po wykonaniu w nim ruchu.
W życiu nie zauważamy tego, ale na niezwykle szczegółowych i precyzyjnych aparatach można to udowodnić. Fizycy udowodnili też - usiłujšc teoretycznie pogodzić ze sobš dwie sprzecz-ne koncepcje Newtona i Einsteina. Rezultatem tego teoretycznego połšczenia była następujšca konkluzja: czas znika. Z matematycznego punktu widzenia traci wszelkie znaczenie. Wspominany już fizyk niemiecki mówi: W równaniach pojęcie czasu już nie występuje. To fakt matematyczny, nie do pojęcia z punktu widzenia ludzkiej percepcji.
Nie wspomniałam jeszcze o jednym bardzo ważnym fakcie - o jednokierunkowoci czasu. Czas upływa, nigdy się nie cofajšc. Gdy zwrócimy uwagę na proste zjawiska, a film pucimy do tyłu nie dostrzeżemy istotnej różnicy. Gdy podobnie postšpimy ze zjawiskami bardziej złożonymi, takimi choćby jak roztrzaskujšcy się o marmurowš posadzkę kryształowy wazon, okaże się, że cofajšcy się film przedstawia sytuacje, które nigdy nie występujš. Czy kto widział, jak roztrzaskany w drob-ny mak wazon zbiera się z powrotem w pierwotny kształt?
Teraz może co o szalonych naukowcach i konstruktorach (załóżmy, że ich pomysły da się zrealizować), którzy za wszelkš cenę chcš obalić prawo jednokierunkowoci czasu. Wyobramy sobie, że który z nich buduje wehikuł czasu i rusza w przeszłoć. Zabija tam swojego dziadka, nim ten zdšżył spłodzić syna, czyli ojca szalonego konstruktora. Mordujšc dziadka unicestwia ojca, a tym samym siebie - nie może istnieć. Czy opłacajš się więc podróże w czasie?
Najmieszniejsze w tym wszystkim jest jednak to, że choć od tylu lat fizycy rozważajš nad czasem, podobno jeszcze żaden z nich nie sformuował jasnej i zrozumiałej, ani jakiejkolwiek innej definicji co to właciwie jest cały ten czas.