Jeśli prawa ruchu mają być takie same dla wszystkich obserwatorów, niezależnie od ich ruchu, wówczas czas musi zwolnić. Oznacza to, że im szybciej się poruszasz, tym wolniej tyka Twój zegar w porównaniu do innych zegarów. Dokładnie to powiedziała postać grana przez Anne Hathaway postaci Matthew McConaugheya w „Interstellar” po zejściu na odległą planetę: „Jedna godzina na tej planecie równa się siedmiu ziemskim latom”.
Czy zatem obserwowanie spowolnienia czasu jest ograniczeniem naszej prymitywnej struktury neurologicznej, czy też faktycznie czas zwalnia?
Co w ogóle oznacza dylatacja czasu? Ostatecznie prowadzi nas to do pytania: czym jest czas? To nie jest pytanie, które studenci filozofii zadają sobie nawzajem przy szklance piwa. Pojęcie czasu intryguje filozofów przyrody i fizyków od niepamiętnych czasów.
Główną funkcją czasu jest śledzenie chronologii wydarzeń. Jednak aż do ostatnich 400 lat ludzie określali czas w oparciu o założenie, że gwiazdy poruszają się po Ziemi, a nie odwrotnie. Mimo to wszystko działało w pewnym stopniu akceptowalnie – z uwagi na to, że dni i pory roku przewidywalnie się powtarzały, a gdy już coś przewidywalnie się powtarza, pojawia się mechanizm śledzenia czasu.
Galileo wykorzystał rekursywną naturę takiego mechanizmu do obliczenia ruchu. Opis ruchu nie byłby możliwy bez wskazania czasu. Ale ten czas nigdy nie był absolutny. Nawet gdy Newton formułował swoje prawa ruchu, posługiwał się koncepcją czasu, w której dwie pary zegarów tykają synchronicznie nie z absolutnym, niezależnym czasem, ale ze sobą. Synchronizacja jest powodem, dla którego ludzkość zbudowała tak złożone i dokładne zegary atomowe.
Pojęcie czasu opiera się na jednoczesności lub zdecydowanej zbieżności dwóch wydarzeń – takich jak przyjazd pociągu i wyjątkowe zbieżność wskazówek zegara w tym momencie. Teoria Einsteina głosi, że na to powinien wpływać ruch. Jeśli dwóch obserwatorów na peronie i w pociągu nie może zgodzić się co do tego, co dzieje się w tym samym czasie, nie mogą też zgodzić się co do tego, jak płynie czas.
Ruch zniekształca czas
Aby zrozumieć wpływ ruchu na przewidywalność, rozważmy najprostszy mechanizm pomiaru czasu. Wyobraźmy sobie urządzenie do pomiaru czasu składające się z fotonu odbijanego pomiędzy dwoma zwierciadłami znajdującymi się w skończonej odległości od siebie. Niech minie jedna sekunda w okresie odbicia fotonu.
Umieśćmy teraz dwa takie urządzenia w punktach A i B nad powierzchnią Ziemi oraz bezpośrednio na niej (jak w przykładzie opisanym powyżej) i zobaczmy, jak odliczają czas, kiedy przeleci obok nich swobodnie spadający obiekt. Obiekt ten zaś odmierza swój własny czas za pomocą tego samego zegara. Co pokażą?
Obserwowanie odbicia fotonu pomiędzy dwoma ruchomymi lustrami przypomina obserwowanie piłki tenisowej odbijającej się w jadącym pociągu. Nawet jeśli piłka odbija się prostopadle do kogoś w pociągu, dla nieruchomego obserwatora na zewnątrz opisuje trójkąty.
W miarę jak pojazd porusza się do przodu, wydaje się, że foton, podobnie jak kula, po odbiciu pokonuje większą odległość. Okazuje się, że jeden z wyników naszego eksperymentu jest zniekształcony! Co więcej, im szybciej porusza się pojazd, tym więcej czasu potrzeba na odbicie fotonu, wydłużając w ten sposób czas trwania sekundy. Dlatego upływ czasu w punkcie B okazuje się wolniejszy niż w punkcie A (pamiętajcie: pod wpływem grawitacji obiekt spada w punkcie B szybciej niż w punkcie A).
Oczywiście ta różnica jest pomijalna. Różnica pomiędzy czasem mierzonym przez zegary na szczytach gór i na powierzchni Ziemi wynosi zaledwie kilka nanosekund. Niemniej jednak odkrycie Einsteina było prawdziwym przełomem. Grawitacja faktycznie zakłóca upływ czasu, co oznacza, że im masywniejszy jest obiekt, tym wolniej czas w jego pobliżu płynie. Niektórzy fizycy zastrzegają nawet, że wszystkie obiekty we Wszechświecie zdają się to odczuwać i próbują spadać tam, gdzie czas płynie wolniej, z miejsc, gdzie czas płynie szybciej.
Nogi młodsze od głowy
Dylatacja czasu grawitacyjnego jest dziś nie tylko zjawiskiem dobrze znanym z fizyki teoretycznej, ale także narzędziem praktycznym. Dzięki odkryciu Einsteina i jego równaniom mamy tak cudowną rzecz jak nawigacja GPS, która nie mogłaby działać tak dokładnie, gdyby nie uwzględniono różnicy pomiędzy upływem czasu na powierzchni Ziemi a upływem czasu na niskiej orbicie okołoziemskiej na konto. Dylatacja czasu grawitacyjnego pomaga także fizykom teoretycznym i astrofizykom w budowaniu precyzyjnych teorii na temat tego, co dzieje się w głębokiej przestrzeni kosmicznej w pobliżu obiektów, do których nie możemy się jeszcze fizycznie zbliżyć (takich jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe). I tak, biorąc pod uwagę to zjawisko, okazuje się, że Twoje nogi – choć nieskończenie małe – są młodsze od głowy.
Czy można „wkroczyć w przyszłość”?
Czas podlega siłom globalnej grawitacji, jak absolutnie wszystkie obiekty we Wszechświecie. Teorię tę wysunął sam Albert Einstein, zdobywając praktyczne potwierdzenie wraz z rozwojem technologii. Z jego wypowiedzi wynikało, że materia przyciąga upływ czasu, spowalniając go tym bardziej, im większe ma pole grawitacyjne. Mówiąc najprościej, im masywniejszy jest obiekt, tym wolniej płynie w jego pobliżu czas.
Dlatego na orbitach satelitów, gdzie siła grawitacji planety jest znacznie mniejsza, czas płynie szybciej niż na jej powierzchni. To stwierdzenie jest prawdziwe także na znacznie mniejszą skalę. Zatem w pobliżu jakiegoś dużego obiektu na Ziemi czas również płynie wolniej niż daleko od niego. Masywne piramidy egipskie, ważące miliony ton, również spowalniają czas, choć miliardy razy mniejsze w porównaniu z całą planetą.
Gdzie mogę zdobyć bilety do przyszłości?
Teoretycznie, jeśli znajdziesz we Wszechświecie wystarczająco masywny obiekt i pozostaniesz przez pewien czas w jego strefie grawitacyjnej, a następnie wrócisz na Ziemię, będziesz mógł podróżować w przyszłość. Gdzie jednak znaleźć ciało o tak ogromnej masie, gdzie czas na orbicie płynie znacznie wolniej niż na Ziemi? Tylko Czarna Dziura w centrum naszej galaktyki nadaje się do roli takiego kandydata. Z obliczeń jej masy i potwornej siły grawitacji wynika, że czas na jej orbicie płynie w przybliżeniu dwukrotnie wolniej niż na naszej planecie.
Oznacza to, że aby przenieść się w przyszłość przynajmniej na 50 lat, specjalnie wyposażony statek musiałby krążyć po swojej orbicie przez te same 50 lat i dopiero potem wrócić do domu, gdzie czas przesunął się o stulecie. W praktyce taki sposób podróżowania jest zbyt kosztowny i technicznie nieosiągalny. Ale ten interesujący fakt pozostaje faktem. Czas we Wszechświecie płynie nierównomiernie, co bezpośrednio wpływa na nasze życie.
P.S. Ale interesujące jest to, że nasza Planeta cały czas się porusza. Ale czy przyspiesza czy zwalnia? Czy ma to dla nas wpływ na upływ czasu?
