fil przyr5 7

48 • PIĘKNO WSZECHŚWIATA

Czas: część n

Trudno podać abstrakcyjną definicję czasu. Wysiłki zmierzające do jej sformułowania często zataczają koło. odwołując się do terminu „czas". Nierzadko też próbuje się tego uniknąć, stosując lingwistyczne wygibasy. My Jednak przyjmiemy pragmatyczny punkt widzenia i zdefiniujemy czas jako coś, co mierzą zegary. Oczywiście, przenosi to ciężar definicji na słowo „zegar". W tym wypadku mianem zegara określamy urządzenie podlegające doskonale regularnym cyklom ruchu. Będziemy mierzyć czas. zliczając cykle, przez które przechodzi nasz zegar. Znany każdemu zegar, taki jak zegarek na rękę, mieści się w tej definicji; ma wskazówki, poruszające się w regularnych cyklach ruchu, i za Jego pomocą rzeczywiście mierzymy czas. Jaki upłynął między wybranymi zdarzeniami, licząc kolejne cykle (lub ich części), przez które przechodzą wskazówki.

Oczywiście, znaczenie frazy: „doskonale regularne cykle ruchu" odwołuje się pośrednio do pojęcia czasu, ponieważ słowo „regularny" oznacza, iż każdy cykl odpowiada takiemu samemu odcinkowi czasu. Praktycznym rozwiązaniem tego problemu są zegary zbudowane z prostych fizycznych składników, które, zgodnie z najbardziej podstawowymi zasadami, podlegają powtarzalnym, cyklicznym zmianom. Za dobry przykład takich urządzeń służą zegary naszych pradziadków, z wahadłami kołyszącymi się na obie strony, i zegary atomowe wykorzystujące powtarzalne procesy zachodzące w atomach.

Mamy zrozumieć, w jaki sposób ruch wpływa na bieg czasu. Skoro robocza definicja czasu odwołuje się do zegarów, ujmijmy postawione wyżej pytanie następująco: jak ruch wpływa na „tykanie" zegarów? Należy podkreślić, że niniejszy wywód nie dotyczy tego, w jaki sposób mechaniczne elementy danego zegara reagują na wstrząsy wynikające z niejednostajnego ruchu. W rzeczywistości rozważymy tylko najprostszy i najspokojniejszy rodzaj ruchu -ruch z doskonale stałą prędkością. Wstrząsami zatem w ogóle się nie zajmiemy. Interesuje nas raczej udzielenie odpowiedzi na uniwersalne pytanie: w jaki sposób ruch wpływa na bieg czasu, a więc Jaki ma zasadniczo wpływ na tykanie któregokolwiek ze wszystkich zegarów, niezależnie od ich rodzaju i budowy?

W tym celu wyobraźmy sobie działanie najprostszego (ale Jednocześnie najbardziej niepraktycznego) zegara, znanego Jako zegar świetlny. Składa się on z dwóch małych lusterek zamontowanych na uchwycie i zwróconych ku sobie oraz umieszczonego między nimi pojedynczego fotonu światła, który odbija się od luster (rycina 2.1). Jeśli lusterka dzieli odległość około 15 centymetrów, na odby-

Ryc. 2.1. Zegar świetlny składa się z dwóch ustawionych równolegle lusterek craz poruszającego się między nimi fotonu. Zegar tyka za każdym razem, gdy foton przemierzy drogę od jednego lusterka do drugiego i z powrotem.

cle podróży od Jednego z nich do drugiego i z powrotem foton będzie potrzebował mniej więcej jednej miliardowej sekundy. Zegar ten „tyka" za każdym razem, gdy foton wykona pełną rundkę - miliard tyknlęć oznacza, że upłynęła sekunda.

Zegar świetlny mógłby pełnić funkcję stopera. Mierzyłby czas. Jaki upłynął między zdarzeniami. Wystarczyłoby dodać kolejne tyk-nlęcia „usłyszane" w interesującym nas okresie i pomnożyć tę liczbę przez czas odpowiadający jednemu tyknięciu. Na przykład, jeśli mierzylibyśmy czas na wyścigach konnych, to po obliczeniu, że między startem a metą foton przebył swoją drogę 55 miliardów razy. doszlibyśmy do wniosku, iż wyścig trwał 55 sekund.

W rozważaniach tych posługujemy się zegarem świetlnym, gdyż Jego prosta budowa eliminuje uboczne szczegóły konstrukcyjne, dając tym samym najlepszy wgląd w kwestię oddziaływania ruchu na upływ czasu. Aby się o tym przekonać, wyobraźmy sobie, że bezczynnie śledzimy upływ czasu, przyglądając się tykającemu zegarowi świetlnemu umieszczonemu na pobliskim stole. Nagle na stole pojawia się drugi zegar, który przejeżdża kolo naszego ze sta-

Ryc. 2.2. Na pierwszym planie widać stojący zegar świetlny. Z tylu zaś znaj duje się inny zegar, przemieszczający się ze stalą prędkością.