Tomasz Bigaj - „Czas, przestrzeń, ruch”
Pojęcia czasu, przestrzeni i ruchu doczekały się wnikliwej analizy na gruncie podstawowych współczesnych teorii fizycznych - szczególnej (STW) i ogólnej (OTW) teorii względności. Autor pragnie wykazać, że przejście od klasycznego ujęcia czasu i przestrzeni do teorii względności jest w istocie podyktowane konsekwentnym zastosowaniem pewnych przesłanek, pojawiających się już w klasycznym ujęciu zjawisk mechanicznych. Punktem wyjścia dla tych rozważań jest pojęcie „względności ruchu”.
Z niezauważenia problemu względności ruchu wzięły się wątpliwości filozofów starożytnych - Zenona z Elei (paradoks stadionu) i Arystotelesa (ruch w układzie odniesienia związanym z nieruchomą Ziemią jest ruchem obiektywnym). Potrzeba było prac Kopernika, Galileusza i Newtona, by zerwać z pojęciem „ruchu absolutnego”. Pojęcie to (podobnie jak pojęcie „spoczynku absolutnego”) nie ma prawa pojawiać się w nauce, gdyż nie może się ono wylegitymować żadną metodą pozwalającą na jego odniesienie do konkretnej sytuacji. Zamiast niego posługiwać się należy pojęciem „ruchu względem danego układu odniesienia”. Należy zauważyć, że z ruchem absolutnym i z absolutnym spoczynkiem traci sens pojęcie „tego samego umiejscowienia”. Pojęcie „odległości przestrzennej” musi być, z kolei, zrelatywizowane do czasu (jako, że nie można wyznaczać odległości przestrzennej pomiędzy miejscami ani punktami przestrzennymi, które w istocie są bezwymiarowymi miejscami; odległość przestrzenną można wyznaczać między rzeczami, ale należy pamiętać o ich ruchu - dlatego odległość przestrzenna musi być określona w czasie). Nie można ustalić odległości przestrzennej między zdarzeniami nierównoczesnymi, gdyż odległość między nimi jest zależna od układu odniesienia.
To, co zostało do tej pory powiedziane, można ująć w opis klasycznej czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzenią nazywają fizycy zbiór wszystkich zdarzeń punktowych z zastrzeżeniem, że jeśli dwa zdarzenia zachodzą w tym samym momencie i w tym samym miejscu, to traktować je należy jako jeden obiekt. Czasoprzestrzeń klasyczna ma strukturę warstwową - dzieli się na warstwy jednoczesności, które obejmują wszystkie zdarzenia zachodzące w jednym momencie czasu.
Pojawia się jednak kolejny problem - trzeba pamiętać, że światło rozchodzi się z ogromną, lecz skończoną prędkością, w związku z czym nie można nazwać „przestrzenią” tego, co postrzegamy w codziennych obserwacjach jako nasze otoczenie. Na im odleglejszy obiekt patrzymy, tym bardziej „cofamy się” w przeszłość. Okazuje się więc, że kluczowym problemem przy określaniu klasycznego pojęcia przestrzeni jest rozpoznanie zdarzeń jednoczesnych.
Pojęcie jednoczesności nie ma jednak wystarczającego ugruntowania w doświadczeniu. Przy rozstrzyganiu problemu jednoczesności trzeba brać poprawkę na opóźnienie sygnału. Jednak, aby we właściwy sposób określić tę poprawkę na różnicę odległości, trzeba by już wcześniej dysponować pojęciem jednoczesności (błędne koło).
Teraz należy odbudować całą strukturę umożliwiającą mierzenie czasu i przestrzeni, ale pozbawioną wszelkich nie znajdujących uzasadnienia elementów absolutnych:
Układ odniesienia może zostać wyznaczony przez dowolny obiekt materialny. Wybranie takiego obiektu umożliwi nam określenia położenia przestrzennego dowolnych zdarzeń (chodzi o miejsce relatywne, nie absolutne).
Więcej problemu sprawia wprowadzenie jednolitego pomiaru czasu. W związku z tym problemem należy zwrócić się ku kwestii jednoczesności dwóch zdarzeń. Fizyka uznaje, że dwa zdarzenia są równoczesne, gdy promienie światła wysłane z jednego i drugiego zdarzenia spotkają się dokładnie w połowie drogi pomiędzy nimi. Ze względu na stosowanie w tej definicji pojęcia odległości, może być ona stosowana tylko relatywnie wobec jakiegoś układu odniesienia. Takiej definicji pojęcia jednoczesności można postawić zarzut, że nie bierze ona pod uwagę faktu, iż prędkości się sumują. Odpowiedzieć nań można na trzy sposoby: przyjmując, że powyższa definicja jest tylko konwencją, uznając, że jest to definicja niedoskonała, ale najlepsza z proponowanych, oraz poddając w wątpliwość uniwersalną użyteczność zasady składania prędkości.
Być może prędkość światła jest niezależna od układu odniesienia - to dawałoby gwarancję poprawności sformułowanej wyżej definicji jednoczesności. Dodatkowo trzeba by założyć, że nie istnieją układy odniesienia, które poruszałyby się z prędkością światła. Założenie stałości prędkości światła wydaje się jedynym sposobem na uratowanie względności ruchu. Na tym założeniu polega cała STW.
W związku z przyjętą powyżej definicją jednoczesności, należy przyjąć, że jeżeli zdarzenia równoczesne w jednym układzie nie są równoczesne w innym, to możliwa jest też sytuacja, że ich kolejność zależy od układu odniesienia. Niektórzy mogą wywieść z tego założenia paradoks odwróconej przyczynowości. Należy jednak pamiętać, że sytuacja, w której w zależności od układu odniesienia zdarzenia zamieniają się miejscami jest możliwa tylko wtedy, gdy istnieje układ, wobec którego obydwa zdarzenia są jednoczesne. Relatywność następstwa czasowego dotyczy tylko pewnej szczególnej klasy par zdarzeń, a absolutne następstwo czasowe - istnieje.
W związku z zanegowaniem absolutnej równoczesności, niemożliwe staje się także uznanie absolutnej warstwy zdarzeń teraźniejszych. Czas przestaje być zatem, jak sądził Newton, absolutnym uporządkowaniem warstw zdarzeń jednoczesnych. Podział czasoprzestrzeni na warstwy jednoczesności możliwy jest tylko ze względu na pewien układ odniesienia. Także czas zależy więc od przyjętego układu odniesienia.
A jednak nawet w ujęciu relatywistycznym pewne elementy charakterystyki czasowej zdarzeń są absolutne. W związku z istnieniem absolutnego następstwa czasowego wśród par zdarzeń, które mogą być połączone sygnałem poruszającym się z prędkością nie większą od prędkości światła, możliwe staje się zdefiniowanie przeszłości absolutnej i przyszłości absolutnej danego zdarzenia.
Na podstawie prostego rachunku można by się też przekonać, że określenie długości interwału czasowego także jest zależne od układu odniesienia („dylatacja czasu”).
ONTOLOGIA