Dylatacja czasu

Izaak Newton, przekonany o swoich poglądach o czasie, określił go jako „jednakowym i niezmiennym w każdych okolicznościach”. Przez ponad 200 lat nikt nie był w stanie podważyć teorii słynnego uczonego. Do momentu pojawienia się Alberta Einstaina, który w 1905 roku przedstawił swoją Szczególną i Ogólną Teorie Względności.

Podważył on postulaty Izaaka Newtona, twierdząc iż, czas w każdej części Wszechświata płynie inaczej. Jest to związane z postulatem Einsteina, który stwierdzał, iż prędkość światła jest taka sama dla wszystkich obserwatorów, niezależnie od wykonywanych przez nich ruchów. Skutkiem takiego prawa jest zjawisko dylatacji czasu.

Od wieków uczeni zastanawiają się nad tym czym w ogóle jest czas. Według definicji jest to skalarna wielkość fizyczna określająca kolejność zdarzeń oraz odstępy między zdarzeniami zachodzącymi w tym samym miejscu. W fizyce klasycznej użyto pojęcia "czas absolutny", który miałby być samodzielną wielkością niezależną od innych wielkości, biegnącą w takim samym rytmie w całym Wszechświecie. Natomiast w obowiązującej po dziś dzień, mechanice relatywistycznej czas określany jest jako czwarta współrzędna czasoprzestrzeni, a jego upływ jest zależy od obserwatora i jest różny dla różnych obserwatorów. Zatem czas ma charakter względny. Każdy zegar na świecie, przedstawia swój własny czas, różniący się o niewielkie ilości od innych przyrządów.

Albert Einstein w Ogólnej Teorii Względności opisuje zależność czasu od pola grawitacyjnego oraz prędkości obiektów w inercjalnych układach odniesienia. Postulaty naukowca stwierdzają iż, czas w silnym zakrzywieniu czasoprzestrzeni płynie wolniej. Przykładem mogą być doświadczenia przeprowadzone przez liczne grupy naukowców. Jednym z nich jest doświadczenie przeprowadzone przez amerykańskich fizyków Roberta Pounda i Glena Rebka z 1960 roku. Uczeni porównali upływ czasu na szczycie i u podstawy 22-metrowej wieży laboratorium i uzyskali minimalną, jednak zgodną z teorią Einsteina, różnicę wynoszącą 30 bilionowych części sekundy. Taki sam efekt przyniosło umieszczenie zegara atomowego na pokładzie samolotu, który kilkanaście godzin latał na wysokości 9km. Po wylądowaniu i porównaniu czasów z dwóch zegarów (jednego, który pozostał na ziemi i tego z pokładu samolotu) otrzymano różnice rzędu kilkudziesięciu nanosekund, co potwierdzało postulaty zawarte w ogólnej i szczególnej teorii względności. Zjawisko to nazywane jest dylatacją grawitacyjną.

Einstein przewidział także relacje pomiędzy czasem a prędkością poruszanych obiektów. Stwierdził on, że dla obiektów poruszających się z prędkością bliższą prędkości światła, czas płynie wolniej. Ma to związek ze stałą prędkości światła, która w każdym układzie odniesienia zawsze posiada jednakową wartość, niezależnie od obserwatora i wykonywanych przez niego ruchów. Zjawisko to można opisać, tak zwanym paradoksem bliźniąt. Zakładając hipotetyczną sytuacje w której, jeden z bliźniaków w pewnym momencie swojego życia, wybiera się w podróż w kosmos rakietą, potrafiącą latać z prędkością bliską prędkości światła, a drugi zostaje na Ziemi. Otóż dla bliźniaka poruszającego się z dużo większą prędkością czas płynie wolniej. Po powrocie na ziemie brat - astronauta byłby dużo młodszy od swojego, urodzonego w tym samym czasie, bliźniaka. Jest to jednak jedynie eksperyment myślowy, pomagający zrozumieć to zjawisko.

Zostało one bowiem wielokrotnie potwierdzone doświadczalnie. Efekt dylatacji można zaobserwować dla nietrwałych cząstek elementarnych. Ich czas życia w układzie laboratorium wydłuża się wraz z nadaniem im prędkości bliższych prędkości światła. Taka sama sytuacja tyczy się oddziaływania atmosfery ziemskiej z pierwotnym promieniowaniem kosmicznym. Ma wówczas miejsce powstawanie strumienia mionów o bardzo krótkich czasach życia (2, 2*10^-6s). Z tego powodu miony nigdy nie powinny osiągnąć powierzchni Ziemi (poruszając się z prędkością światła powinny rozpaść się po przebyciu 660 metrów, tymczasem powstają na wysokości około 20km). Ponieważ cząstki te poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła, ich czas życia w układzie Ziemi wydłuża się, dzięki czemu mają możliwość dotarcia do powierzchni Ziemi. Z tego typu dylatacją związane jest także inne zjawisko nazywane skróceniem Lorentza.

Dylatacja czasu, oprócz swojej niesamowicie ciekawej i ważnej dla zrozumienia wszechświata, struktury, posiada także wiele znaczących zastosowań w życiu codziennym na Ziemi. Zjawisko to uwzględniane jest w wielu gałęziach technologii np. elektronice, nanotechnologii lub techniki satelitarnej. Przede wszystkim jednak, dylatacja ma duże znaczenie w systemie nawigacji satelitarnej GPS. Gdyby nie uwzględnić spowolnienia czasu dla satelity poruszającej się z duża prędkością na orbicie okołoziemskiej, to wyniki uzyskiwane przez urządzenia mogłyby się mylić o całe kilometry!

Zatem pomimo, iż mamy do czynienia z minimalnymi zmianami czasu w otaczającym nas świecie, to zjawisko dylatacji czasu towarzyszy nam od zarania dziejów. Nawet jeżeli może to się wydawać czasami trudne do wyobrażenia, to czas dla każdego z nas płynie odrobinę inaczej. Skutki dylatacji czasu mogą okazać się niesamowicie ważne w przyszłości, gdzie wraz z rozwojem technologi mogą zostać zastosowane na przykład w dalekich podróżach w kosmos, czy kolonizacji odległych planet.