Czas w
fizyce
Dalej
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
Zjawiska
związane z
czasem
Dalej
Spis treści
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
Przed odlotem w kosmos...
Po przylocie...
Paradoks na ilustracjach
Wstecz
Bibliografi
a:
• Internet
• Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych, M. i K.
Fiałkowscy, ,
B. Sagnowska, wyd. ZamKor, Kraków 2004
• Encyklopedia Popularna PWN, Warszawa 1997
Koniec
Autorka:
Spis treści