Czym jest czas?

Czym jest czas? – pozornie jest to bardzo proste pytanie. Ale tylko pozornie. Wszystkim się wydaje, że przecież wiedzą jak zdefiniować czas. Natomiast, gdy mamy powiedzieć ścisłą definicję czasu – napotykamy trudności.
25 października 2019 roku

Czas jest miarą zmian. Jeżeli nic się nie zmieniło, znaczy to, że czas nie upłynął. A jeżeli coś się wydarzyło – oznacza, że czas musiał upłynąć.

Czas jesteśmy w stanie mierzyć obserwując zjawiska okresowe – powtarzające się z określonym cyklem. Mogą to być wschody i zachody Słońca, pełnie Księżyca, pory roku, drgania wahadła, pozagalaktycznych pulsarów, a obecnie najdokładniej jako przejścia pomiędzy poziomami energetycznymi w atomach. Jeszcze kilkaset lat temu błędy w pomiarze czasu powodowały ogromne straty gospodarcze w wyniku katastrof statków handlowych. Szerokość geograficzną można było wyznaczyć w łatwy sposób – obserwując np. wysokość gwiazdy polarnej nad horyzontem. Natomiast wyznaczenie długości geograficznej zawsze wiązało się z koniecznością synchronizacji czasu na południku przyjętym jako południk zerowy (np. Greenwich) a czasem w miejscu obserwacji np. Słońca w górowaniu lub wybranych gwiazd. Błąd 1 minuty synchronizacji zegarów na statkach żeglugowych powodował błąd wyznaczenia długości geograficznej, który przekładał się na 28 km w niskich szerokościach geograficznych. Taki błąd wystarczał, aby statek rozbił się o skały.

czas-2
fot. Shutterstock

Jeszcze w XVIII wieku czas był jedną z wielkości najgorzej wyznaczalnych. Kilogram, czy metr można było znacznie dokładniej pomierzyć niż sekundę. Od lat 50. XX wieku nastąpiła rewolucja w pomiarze czasu – wraz z powstaniem pierwszego zegara atomowego. Obecne zegary posiadają stabilność na poziomie 10-18 sekundy. Oznacza to, że taki zegar spóźni się o 1 sekundę po upływie 32 miliardów lat. Wiek Wszechświata szacuje się na niecałe 14 miliardów lat – czyli gdyby najdokładniejszy zegar działał nieprzerwanie od wielkiego wybuchu – dzisiaj spóźniłby się o 0,5 sekundy.

Czas od wielkości najgorzej wyznaczanej stał się więc wielkością najdokładniej mierzoną. W konsekwencji trzeba było zmienić definicję metra, która jest obecnie oparta o drogę, jaką przebywa światło w próżni w określonym czasie. W zeszłym roku zmieniono również definicję kilograma, która pośrednio opiera się o pomiar czasu oraz podstawowe stałe fizyczne, takie jak stała Plancka.
Większość wielkości, które mierzymy opiera się o pomiar czasu. Misje Apollo 11, 14 i 15 zostawiły zwierciadła laserowe na Księżycu. Do dzisiaj wykonuje się pomiary do tych zwierciadeł przy pomocy impulsów laserowych wysyłanych z naziemnych stacji. Pomiar opiera się na zmierzeniu czasu wysłania impulsu i jego powrotu po odbiciu od zwierciadła księżycowego. Dzięki tym pomiarom, monitorujemy na bieżąco odległość do Księżyca z dokładnością lepszą niż 1 cm.

Pozycja wyznaczona z wykorzystaniem systemu GPS również opiera się o pomiar czasu pomiędzy momentem wysłania sygnału binarnego na falach radiowych przez satelity, a momentem rejestracji tego sygnału przez odbiornik GPS. Nie każdy wie, że pełna nazwa systemu to NAVSTAR GPS, czyli Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System. Tym samym, dzięki systemowi GPS otrzymujemy nie tylko pozycję „Positioning”, ale także dokładny czas „Timinig”. Każdy odbiornik GPS korzysta z jednoczesnego sygnału z minimum 4 satelitów, żeby wyliczyć 4 parametry: 3 parametry opisujące pozycję (np. X, Y, Z) oraz 1 parametr opisujący czas w 4-wymiarowej czasoprzestrzeni.

czas-3
fot. Shutterstock

Do czasów Einsteina i Lorentza zakładano, że czas ma charakter absolutny – wszędzie płynie tak samo. Szczególna teoria względności zdefiniowała czas na nowo – wprowadziła wartość prędkości światła jako prędkości maksymalnej oraz zasadę, iż im bardziej zbliżamy się do prędkości światła to nasz czas własny płynie wolniej. Z trójwymiarowej przestrzeni musieliśmy zrezygnować na rzecz czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Ogólna teoria względności rzuciła nowe światło na postrzeganie grawitacji. Einstein zasugerował, że materia zakrzywia czterowymiarową czasoprzestrzeń, a konsekwencją zakrzywienia czasoprzestrzeni są przyciągania grawitacyjne, które obserwujemy oraz zwolnienie zegarów (zmiana upływu czasu).
Dzisiejsze zegary atomowe są tak dokładne, że gdyby zmienić wysokość zegara, tj. podnieść go o 10 cm, to można wykryć zmianę mierzonej długości sekundy z tego względu, że zegar oddalił się od środka Ziemi, czyli od maksymalnego zakrzywienia czasoprzestrzeni.
Nowoczesna geodezja wykorzystuje to zjawisko w pomiarach pola grawitacyjnego Ziemi.

Biologia człowieka nie opiera się jednak o dokładne zegary atomowe – jest związana raczej ze zjawiskami obserwowanymi w przyrodzie – np. ruchem Ziemi wokół własnej osi, który jest związany ze wschodami i zachodami Słońca. Od czasu wynalezienia zegara atomowego okazało się, że Ziemia nie obraca się w sposób regularny. Długość doby wydłuża się z upływem czasu. Związane jest to z oddalaniem się Księżyca od Ziemi o kilka centymetrów rocznie, ze zmianą kształtu Ziemi ze względu na topniejące lodowce w okolicach bieguna np. na Grenlandii i Antarktydzie Zachodniej, a także z ruchami mas powietrza w atmosferze i wód w oceanach.

Nad właściwym czasem urzędowym czuwa Międzynarodowa Służba Ruchu Obrotowego Ziemi. Za każdym razem, gdy czas mierzony przez uśrednione odczyty z zegarów atomowych na całym świecie zaczyna odstawać od ruchu obrotowego Ziemi, wprowadza się tzw. sekundę przestępną do czasu UTC (czasu uniwersalnego koordynowanego). Czas UTC posiada długość sekundy zdefiniowaną przez zegary atomowe poprawioną o pewną liczbę sekund przestępnych tak, aby był w maksymalnej zgodności z obrotami Ziemi wokół własnej osi.  Czas UTC stanowi następnie podstawę czasu urzędowego we wszystkich krajach na świecie. Do czasu UTC dodaje się całkowitą liczbę godzin oznaczających strefę czasową.

czas-1
fot. Shutterstock

W Polsce czas zimowy (środkowoeuropejski) związany jest z dodaniem 1 godziny do czasu UTC. Czas letni (wschodnioeuropejski) jest wprowadzany i odwoływany każdorazowo w postaci Rozporządzenia Prezesa Rady Ministrów i stanowi UTC+2h. We Wrocławiu zimą tranzyt Słońca (czyli południe astronomiczne) ma miejsce o godzinie 11:37, natomiast latem o 12:37. Latem jesteśmy w stanie cieszyć się dłużej z jasnych wieczorów. Zimą jasne wieczory są bardzo krótkie z jednej strony ze względu na krótki dzień, a z drugiej ze względu na wcześniejsze południe astronomiczne. Należy jeszcze pamiętać o tym, że zachód Słońca nie następuje nagle, lecz jest procesem stopniowym z tego względu, że atmosfera ziemska zakrzywia i rozprasza promieniowanie słoneczne.

W tym tygodniu zachód Słońca we Wrocławiu ma miejsce o 17:55, jednakże zmierzch cywilny jest o 18:29 (kiedy zaczynają ukazywać się najjaśniejsze gwiazdy, a Słońce jest poniżej 6 stopni pod horyzontem), zmierzch nawigacyjny o 19:07 (kiedy linia horyzontu przestaje być widoczna, a Słońce schodzi poniżej 12 stopni pod horyzontem), a zmierzch astronomiczny o 19:46 (Słońce jest poniżej 18 stopni pod horyzontem, dzięki czemu można obserwować wszystkie gwiazdy). Latem we Wrocławiu zachód astronomiczny w ogóle nie następuje. Natomiast brzask astronomiczny we Wrocławiu w tym tygodniu wypada o 5:28, nawigacyjny o 6:07, cywilny o 6:45 a wschód słońca o 7:19. Gdy tylko nastąpi zmiana czasu, wartości te przesuną się o 1 godzinę wcześniej, a później długość dnia zacznie się skracać.

A jak mierzymy ruch obrotowy Ziemi?

Do tego celu wykorzystujemy geodezję kosmiczną. Za pomocą radioteleskopów rejestrujemy sygnały mikrofalowe wysyłane z pozagalaktycznych kwazarów. Kwazar to odległa galaktyka, która w centrum posiada czarną dziurę pochłaniającą otaczającą ją materię i wysyłającą silne promieniowanie, w tym promieniowanie mikrofalowe. Kwazary stanowią stabilne punkty „dowiązania” na niebie, czyli osnowę geodezyjną. Jeżeli co najmniej 2 radioteleskopy obserwują ten sam kwazar, można porównać te obserwacje i wyliczyć, jak w danym czasie zorientowana jest Ziemia. Oprócz kwazarów korzysta się z obserwacji satelitarnych GPS celem wyznaczenia zmienności w ruchu obrotowym Ziemi. Jednakże kwazary są bardziej stabilne, niż orbity satelitów GPS, dzięki czemu gwarantują wyższą dokładność pomiaru.

Czas zimowy zmieniamy w ostatnią niedzielę października – w nocy z 26 na 27 przestawiamy wskazówkę z godziny 3 na 2 i śpimy dłużej. Czas letni ustawiamy zawsze w ostatnią niedzielę marca. Przestawiamy wówczas wskazówki zegarów o godzinę do przodu i śpimy krócej. W marcu 2019 w głosowaniu w komisji transportu PE zaproponowano, by ostatnia zmiana czasu (dla państw, które wybrałyby czas letni) nastąpiła w marcu 2021 r. Kraje, które wybrałyby na zawsze czas zimowy, ostatni raz przestawiłyby zegary w październiku 2021 r. Parlament Europejski również zdecydował, że zmiana czasu powinna zostać zniesiona. Ponad 78 procent dorosłych Polaków chce rezygnacji ze zmiany czasu i pozostaniu przy czasie letnim. 

prof. Krzysztof Sośnica