20121202

Czas


Czym jest czas? Czemu czas płynie do przodu, a nie do tyłu? Czy jest takie miejsce we Wszechświecie, gdzie nie płynie czas? Czy czas istnieje naprawdę, czy to jedynie nasz subiektywny umysł tak porządkuje rzeczywistość, że... sam go stworzył?

Herman Minkowski, nauczyciel Einsteina, wprowadził ideę 4-wymiarowej przestrzeni (3D i czas, czas, jako część przestrzeni), na której swoją ogólną teorię względności oparł Albert Einstein, główny odkrywca relatywności czasu – jednocześnie proste, jak i genialne odkrycie. Co to oznacza, że czas jest relatywny? Czy są jakieś zależności, czy po prostu jest to losowa relatywność i można określić wg probabilistyki z jaką szybkością płynie czas w danej przestrzeni? Jako, że nasz Wszechświat jest spójnym zbiorem różnych zmiennych, takie pytanie może wydawać się idiotyczne, ale wcale nie jest, biorąc pod uwagę odkrycia z dziedziny fizyki kwantowej (której przeciwnikiem był Albert Einstein, nie mógł się pogodzić z tym, że coś może dziać się losowo).

Tak się akurat jednak składa, że czas jest zależny i jednocześnie ściśle powiązany z masą (a co za tym idzie grawitacją oraz gęstością) i prędkością obiektu zależną od punktu odniesienia. Im większa masa (znów to powtórzę: a co za tym idzie grawitacja), tym czas płynie wolniej. Czas w jądrze Ziemi płynie wolniej, niż czas na Ziemi, dla osób wyższych czas płynie szybciej, niż dla osób niskich (ich mózg jest w dalszej odległości od jądra Ziemi, źródła grawitacja, w związku z czym czas płynie odrobinkę szybciej). Twoje stopy są starsze, niż oczy. Relatywność czasu polega nie tylko na tym, że może on być różny w różnych punktach, ale także od miejsca odniesienia – poruszające zegary działają wolniej, niż te nie poruszające się. Świetną ilustracją tego zjawiska jest jadące pociąg (na którym jest super-dokładny zegar, zresztą opis rysunku jest na dole).





Dla każdej z osób uczestniczących w eksperymencie, to pociąg/reszta się poruszała, a nie oni. To logiczne, że odległość poruszania się światła w poruszającym się pociągu z punktu widzenia kobiety będzie dłuższa, niż jej długość z punktu widzenia mężczyzny - wszystko przez ruch pociągu, który relatywnie wydłużył długość podróży światła. Jest to bardzo ściśle związane z czasem, ponieważ kobieta widzi dokładną drogę, jaką przybył w tym przypadku na rysunku zegar „świetlny”. Droga, jaką przebył promień światła, jest rozwleczony na większą przestrzeń, a przecież prędkość światła jest taka sama. Nastąpiło tutaj dosłownie zakrzywienie czasoprzestrzeni.

Doświadczenie z pociągiem opisuje szczególną teorię względności Alberta Einsteina, czyli słynne E=mc2. Masa i energia są tutaj ściśle związane – ponieważ prędkość światła jest tak wielka, że obiekt o bardzo niskiej masie może dawać ogromne ilości energii. W ten sposób mogą istnieć na przykład bomby atomowe oraz elektrownie atomowe.

Dylatację czasu (opisywaną przez szczególną teorię względności Einsteina – tak to się fachowo nazywa) opisuje wzór Lorentza, wynikający z transformacji Lorentza.






Wzór Lorentza opisuje drogę obiektu z punktu widzenia poruszającego się, mając dane na temat obiektu poruszającego się z jakieś punktu odniesienia.

Właściwie, transformacja Lorentza jest przydatna tylko i wyłącznie do prędkości bliższych prędkości światła, do prędkości mniejszych używa się transformacji Galileusza. Tutaj opisuje ona drogę jedynie, ale to się z czasem bardzo ściśle łączy – jeśli obiekt się poruszy, to znaczy, że minął czas. Tutaj zachodzi ciekawe zjawisko, które teoretycznie mówi nam, że podróże z prędkością światła są niemożliwe: gdy weźmiemy obiekt, który wg nas, obserwatorów porusza się z prędkością światła i podstawimy tą prędkość do wzoru, to wyjdzie nam, że S dzieli się przez nieskończoność, czy praktycznie czas stoi – droga aż tak się wydłuża. Jest to istny paradoks, bo z punktu widzenia obserwatora obiekt porusza się z prędkością światła, a z punktu widzenia poruszającego się z prędkością światła czas stanął.

Z mojego osobistego punktu widzenia szczególna teoria względności jest dziwna dlatego, że wszyscy mają inne zdanie (przeciwne wręcz) jednocześnie mając przy tym rację.

Na razie została omówiona relatywność czasu. Już oddalając się trochę od szczegółowości, od punktu odniesienia, przejdźmy do bardziej ogólnych kwestii. Zastanówmy się, czy możliwe jest, by czas stanął całkowicie? Zacznijmy od tego, że czas jest wtedy, gdy jest uporządkowanie, ruch, wymiana energii (pomijamy, czy biegnie szybciej, czy wolniej, bo nie o to się teraz rozchodzi). Generalnie czas można rozpoznać po... rozpadzie, śmierci. Nie spotykamy martwych, zgniłych ludzi, którzy nagle ożywają, ani rdzy, która przemienia się w błyszczącą stal, ani spleśniałych jabłek, które, nagle stają się dojrzałe. To, o czym mówię, to entropia. W pewnym sensie bardziej ogólne prawo przyrody, bardziej... ostateczne? Wszystko dąży do rozpadu, a żeby wprowadzić homeostazę/porządek potrzebne jest dostarczenie energii. Rośliny i zwierzęta na Ziemi stanowią mały punkcik uporządkowania i zmniejszenia entropii: rośliny z energii słonecznej zapewniają sobie rozmnażanie się i wzrost, zwierzęta roślinożerne jedząc. Z każdym poziomem w łańcucha pokarmowego następuje zwiększenie entropii, ponieważ za każdym razem, z każdym zwierzęciem energia zostaje rozproszona w postaci ciepła: w związku z czym zawsze się coś traci i bilans „w organizmach” jest na minus.



Poziom entropii we Wszechświecie jest... OGROMNY. Właściwie wszystkie gwiazdy, jako zresztą uporządkowane układy, dążą systematycznie do entropii, oddając ciepło zimniejszemu otoczeniu. Jeśli wszystkie gwiazdy w kosmosie wyczerpią swoją energię, jeśli energia przestanie krążyć i przemieniać się, jeśli przestanie istnieć ruch, przemiana, to czas stanie. Nic się nie będzie działo, a więc nastąpi kompletny zastój.


Kolejną, w pewnym sensie bardziej filozoficzną kwestią jest to, czy czas w ogóle istnieje... jako, że my, jako ludzie posiadający takie, a nie inne mózgi, postrzegamy relatywność czasu, przestrzeń i ogólnie rzeczywistość tak, a nie inaczej... nie mamy innych punktów odniesienia, porównania, niż nasz mózg, to jaką może mieć pewność, że to co postrzegamy jest prawdziwe? Jaką możemy mieć pewność, że czas w ogóle istnieje? Istnieją dwie hipotezy w tym polu: hipoteza Johna Williama Dunne'a oraz hipoteza Freda Hoyle'a. Pierwszy uważa, że czas „idący” do przodu, z przeszłości do przyszłości jest autentyczny i faktycznie istnieje, natomiast drugi twierdzi, że wszystko istnieje naraz, właściwie jest już przesądzone, bo już „istnieje”. Teraźniejszość jest jedynie naszą percepcją. Idąc dalej tym tokiem myślenia, człowiek nie ma wolnej woli, co dla niektórych może nie być miłą myślą... ale od kiedy nauka jest od tego, by czuć się dobrze?

Jest parę rzeczy, o których nie wspomniałam, a niektóre tylko napomknęłam (jest jeszcze jeden wzór mówiący, że nie można podróżować w czasie, na przykład), ale myślę, że to najważniejsze i najistotniejsze kwestie dotyczące czasu, które z resztą i mnie interesują zostały zawarte.

9 komentarzy:

  1. SUKCES! :P Naprawiłem błąd na stronie i już widzę notki. Wina była ewidentnie blogspota - http://i45.tinypic.com/34px9jo.jpg podejrzewam jednak, iż nie masz na to wpływu. :( Nowsze systemy czy przeglądarki pewnie debugują to same, ja zrobiłem to ręcznie i już jest ok. (tzn. będę musiał robić tak za każdym razem, ale przynajmniej wiem jak)

    Wracając do wpisu, na brudno napisałem sobie komentarz, gdy jeszcze czytałem go bezpośrednio z kodu. Z góry mówię, że zdaję sobie sprawę ze swojego niedouczenia i ciasnoty umysłowej i proszę się ze mnie nie śmiać. :P Ot, luźne przemyślenia niedouka. Jeszcze raz przepraszam:

    "Moje pojmowanie fizyki zawsze kończyło się na etapie Newtonowskim. :P Wnioskowanie ze wzorów, w które prędkość światła wpisana jest na zasadzie aksjomatu, wydaje mi się trochę dziwne. Eksperymenty natomiast są już ciekawsze, choć wciąż nie wyjaśniają jak dla mnie źródła tych ograniczeń.

    Przykład z pociągiem jakoś nie mieści się w moim ograniczonym umyśle. :( Mam wrażenie, że gdyby wagon poruszał się z prędkością zbliżoną do światła, to i samo światło zachowując ograniczenie c, nie powinno w ogóle trafić w lustro.

    Problem z prędkością światła zawsze zdawał mi się zagadnieniem natury percepcyjnej. No bo w sumie jeśli spojrzymy na ten akcelerator cząstek na rysunku z pociągiem, to czy jeśli brakować będzie 5km/h do przekroczenia c, a ja zacznę biegać w przeciwnym kierunku wokół tego urządzenia, to moja prędkość względem tych cząsteczek nie będzie większa niż c? Nawet zarejestrowanie takiej prędkości wydaje mi się możliwe, bo jeśli rozpędzę kliszę do prędkości c i pędzić ona będzie w kierunku światła, to naświetli się 2 razy szybciej.

    Pytanie też od czego zależą wewnętrzne ograniczenia w naszym wszechświecie, ja stawiam na zależność od ośrodka na którym jest on zbudowany. Przychodzi mi tu na myśl analogia do procesora w moim komputerze i komputerze kolegi. Mój jest już stary i dziadowski, więc wykonuje obliczenia w swoim tempie, na przykład łamanie hasła do zabezpieczonego pliku. Proces wydłuża się będąc ograniczonym przez prędkość obliczeń, ale już u kolegi trwa to znacznie krócej. Jeszcze ciekawiej wygląda kilka procesów jednocześnie. Wtedy wykorzystanie 100% procesora przez jedną z nich, zatrzymuje wszystkie pozostałe."

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Newtonowskie spojrzenie zakładało właśnie, że prędkość fali w próżni może zmienić się na zasadzie, że np. prędkość światła z reflektorów jadącego samochodu wynosi c+50km/h. Einstein wyszedł jednak z założenia, że prędkość fali elektromagnetycznej w próżni jest wielkością stałą i wszystkie pozorne paradoksy wynikają właśnie z tego założenia.

      Usuń
    2. Wiem co masz na myśli, ale ja tego nie podważam. Stwierdzam tylko, że nieprzekraczalność c sprawia, iż promień światła nie trafi w lustro, ale zwolni, zakrzywi się (względem układu odniesienia jakim jest pociąg) i trafi gdzieś wcześniej. Nie mówię o +50km/h, bo tego przesunięcia gołym okiem by nie było widać, ale zauważ, iż pociąg ze zdjęcia sam porusza się z prędkością c, więc światło nie mogąc osiągnąć 141%* c trafi gdzieś w dach za reflektorem, a nie tak jak pokazuje to symulacja na dole.

      *droga do przebycia przez promień światła: (d^2 + h^2)^(1/2), gdzie h to wysokość zawieszenia lustra względem źródłem światła, a d odległość między reflektorem, a rzutem lustra na podłogę. Zakładając, że d=h odległość ta wynosi 1,41d. Czyli gdy pociąg przebędzie d, promień światła będzie miał już nad sobą dach bezpośrednio nad reflektorem, a sam osiągnie dach, jak reflektor go "wyprzedzi".

      Nie widzę powodu by tu miał powstawać jakiś paradoks, a czas zwalniać. Już lepiej wyglądał by przykład, gdyby ktoś chciał w takim pociągu rzucić zgodnie z kierunkiem jazdy piłką. :P Oczywiście jeśli mówię bzdury, to nie obrażę się, jeśli ktoś wyprowadzi mnie z błędu. ;)

      PS. Czy w pojeździe poruszającym się z prędkością c w ogóle może płynąć prąd? W sumie elektron nie mógłby przekroczyć c poruszając się od - do +, więc nie jest powiedziane, że ten reflektor w ogóle by się włączył w rozsądnym czasie. :P

      Usuń
    3. Caban, to co jest pokazane na rysunku z pociągiem właśnie zostało dziesiątki razy udowodnione i na przykład satelity GPS muszą mieć synchronizowany czas, bo czas u nich jest wolniejszy (chyba, nie wiem jak z czasem wobec grawitacji, ale na samolotach czas też płynie wolniej, więc podejrzewam, że na satelicie też).

      Usuń
  2. Te prędkości są tylko zbliżone do prędkości światła, bo obiekt posiadający masę teoretycznie nie może jej osiągnąć ;P Gdyby pociąg osiągnął prędkość światła, to promień leciałby nieskończenie długo i czas przestałby płynąć, podobnie gdyby samochód osiągnął c, czas by się dla niego zatrzymał.

    Co do tego światła, to sam tak kombinowałem jak Ty :) zresztą nie będę udawał że w pełni rozumiem te wszystkie implikacje założenia stałości c, nieco mi tekst nihil to wyjaśnił, ale wciąż kilka spraw mam do zrozumienia.

    Ten przykład z pociągiem to chyba tylko paraboliczny opis implikacji teorii względności, więc nie należy go brać tak dosłownie i technicznie, jak Ty próbujesz. Oczywiście masz rację, ale wyobraź sobie, że promień mimo wszystko trafia w cel. Jak wtedy to wygląda?

    Zresztą można to uprościć. Wyobraź sobie, że ten promień nie odbija się od zwierciadła tylko od razu wali w detektor, więc jego zwrot jest równoległy do jazdy pociągu. Prędkość c jest stała. Teraz zmierz odległość, jaką przebył promień stojąc w wagonie - ponieważ też się poruszasz razem z pociągiem, odległość ta jest zdecydowanie mniejsza, niż gdybyś ją zmierzył patrząc z zewnątrz.

    OdpowiedzUsuń
  3. ale w ogóle o co chodzi, to oczywiste, że promień walnie w to coś u góry, nawet jak pociąg będzie się poruszał z prędkością światła.

    OdpowiedzUsuń
  4. @Nihil, @Pedros.lol
    Ale ja nie to podważam (fakt, że w pewnych warunkach czas płynie szybciej lub wolniej), tylko teoretyczny przykład pociągu poruszającego się z prędkością prawie c i promienia światła skierowanego w lustro jak na rysunku. :P Po prostu symulacja jest błędna. Światło nie jest wystrzeliwane tylko emitowane. Za lokomotywą parową też obłoczek ciągnie się wzdłuż pociągu a nie pionowo w górę - może to nie jest odpowiednia analogia, ale chodzi mi o przykład dla pozostawania światła w tyle, gdyż jego prędkość, choć nieco większa niż pociągu, realizuje się pod ukosem, co względem podłoża daje prędkość mniejszą.

    Jeśli prędkość pociągu to c i światła też, to tylko równoległy kierunek i taki sam zwrot dały by efekt powolnego lotu promienia świetlnego w kierunku lustra (tak jak mówisz, Pedros), ale wciąż nie widzę w tym paradoksu. Jeśli wyprzedzam auto jadące 100km/h i sam mam zbliżoną prędkość to względem mnie porusza się ono bardzo wolno, choć dla zewnętrznego obserwatora stojącego w miejscu na poboczu jest to mignięcie. Na czas to jednak wpływu nie ma. :P

    Nie rozumiem dlaczego prędkość światła miała by sama z siebie wpływać na czas. Dla mnie czas to po prostu szybkość zachodzenia procesów w danych warunkach. Pozwolę sobie wkleić za Wikipedią: "Sekunda (..) Jest to czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego 2S1/2 atomu cezu 133Cs (powyższa definicja odnosi się do atomu cezu w spoczynku w temperaturze 0 K)[3] . Definicja ta, obowiązująca od 1967 r., została ustalona przez XIII Generalną Konferencję Miar. Poprzednio sekundę definiowano jako 1/31 556 925,9747 część roku zwrotnikowego 1900 (XI Generalna Konferencja Miar z 1960 r.) lub 1/86400 część doby (do 1960 r.)."

    OdpowiedzUsuń
  5. Dobra, przyznam, że wcześniej wykorzystałem dyskusję z Tobą jako próbę własnego zrozumienia implikacji teorii względności, mam nadzieję, że nie będziesz mieć mi za złe. Teraz to nadrobię, więc doczytałem Twoje posty. Rzeczywiście, z technicznego punktu widzenia, sam rysunek jest błędny. Jest to mylące, ale ja uznałem, że to po prostu tylko alegoryczny opis stanu faktycznego, że tak to wygląda.

    Co do przykładu z obłokiem pary, to na jego ruch wpływa przecież opór powietrza. Gdybyś jadąc pociągiem podrzucił piłkę, to uniesie się ona pionowo do góry (chyba, że słabo celujesz ;P), ale patrząc z zewnątrz poleci ukosem i spadnie ukosem jak ten promień światła. Relatywnie więc będzie mieć różne prędkości względem różnych układów odniesienia, nawet całkiem duże gdyby przyjąć prędkość przemieszczania się układu słonecznego względem osi Galaktyki ~220 km/s :D

    Z tym paradoksem chodzi właśnie chyba o to, że jeżeli porównywać materialne obiekty, to nie będzie się to zgadzać. Załóżmy, że rzucasz piłką w tym jadącym pociągu i mierzysz jej prędkość. W jakim kierunku nie rzucisz, jeśli zrobisz to z tą samą siłą, to prędkość będzie ta sama. Ale jak zmierzysz jej prędkość z zewnątrz, to np. okaże się, że jest większa jeśli piłka ma ten sam kierunek i zwrot co wektor prędkości pociągu. Światło się tak nie zachowuje, bo ma stałą prędkość niezależnie od układu odniesienia.

    I właśnie tutaj tkwi paradoks jak sądzę: dlaczego prędkość c ma wpływ na upływający czas wbrew obserwacjom przy małych prędkościach? Bo tak jest zbudowany Wszechświat. Dlaczego to ma wpływ na szybkość zachodzenia zmian? Bo tak jest zbudowany Wszechświat. Innymi słowy to wszystko jest powiązane i dlatego względne - przestrzeń, czas i zachodzące w czasoprzestrzeni procesy.

    No ale poczekajmy na dalsze wpisy w tym temacie, może się to rozjaśni (albo pojawi się jeszcze więcej pytań ;P)

    OdpowiedzUsuń
  6. No coś Ty, sam nagminnie wykorzystuję dyskusję jako bodziec do pobudzenia własnego myślenia i uporządkowania poglądów, spisania przemyśleń. :P

    Tak, sam zwróciłem uwagę, iż mój przykład jest nieadekwatny, ale akurat nie przychodziło mi nic lepszego na myśl. ;)

    Ten relatywizm prowadzi oczywiście do pozornych paradoksów, ale skoro wciąż istniejemy, to najwyraźniej "system" nie strzelił jeszcze blue screena i wszystko jest do wyjaśnienia. :P Czasami do paradoksów prowadzą po prostu kwestie definicyjne. Dużym problemem, który dostrzegłem już dawno temu, jest fakt, że cała nasza wiedza budowana jest od "wewnątrz". Jesteśmy częścią całego układu i podejrzewam, że z tej pozycji nie jest niestety możliwe poznanie absolutnie wszystkiego czego zapragniemy. Obawiam się także, że ucieczki z tego układu nie ma i wszyscy znikniemy z mniejszym lub większym niedosytem informacji. :(

    Światło istotnie osiąga zawsze swoją maksymalną prędkość w danym środowisku, ale to raczej wynika z jego specyfiki. Czy aby na pewno żadna fala nie mogła by się poruszać szybciej? Czy jeśli by się poruszała, to bylibyśmy w stanie to zbadać? W naszym obecnym położeniu może być ciężko, ale już pewne teorie z fizyki kwantowej, na których się kompletnie nie znam, mówią o natychmiastowym przekazie informacji, a ja zawsze uparcie będę twierdził, że informacja musi mieć jakiś nośnik, sposób przepływu, czyli furtka pozostaje.

    Ja myślę, że po prostu zbyt ludzko traktujemy pojęcie czasu, upraszczamy je dla ułatwienia życia na Ziemi, a potem mamy problem by pozbyć tego aksjomatu, że sekunda to zawsze ta sama porcja czasu. Coś jak z naszą wagą, gdzie masę jednoznacznie kojarzymy z ciężarem, zapominając, że tak naprawdę dopiero masa i grawitacja dają nam to co odczuwamy i co mamy na myśli. (choć to nadal jest uproszczenie)

    Może jak pojawi się tu więcej osób o szerszej wiedzy w tej dziedzinie, to nam pewne rzeczy jakoś łopatologicznie wyjaśnią. Póki co pozostaje kanapowe filozofowanie. ;) Co oczywiście bardzo lubię, szczególnie w takim miłym towarzystwie.

    OdpowiedzUsuń