Co to jest czas – chociaż nikt go nie widział – każdy wie. Nie widzimy go, a przecież go mierzymy. Może jednak tylko nam się wydaje, że mierzymy czas. Mierzymy zazwyczaj rzeczy materialne, które widzimy. Chociaż nie tylko, bo mierzyć możemy także np. dźwięk – jego natężenie czy wysokość tonalną. Dźwiek i inne formy energii rozchodzące się w postaci fal elektromagnetycznych, niosą jednak energię (i informację) odpowiadającą konkretnej masie materii (zgodnie z równaniem Alfreda Einsteina e= mc2).
Czas też mierzymy, a przecież nie ma on nie tylko materialnego fundamentu, ale też nie jest samodzielnym bytem. Co zatem mierzymy? Mierzymy zmianę kolejnych stanów rzeczy materialnych lub mających materialne źródło; mierzymy zatem nie czas, a materialne ślady jego upływu. Przyjmując upraszczające podejście, wszyscy zgadzamy się jednak, że mierzymy właśnie czas. No i na dodatek, w upływ czasu jawi się jako parametr, który oceniamy i mierzymy chyba najczęściej. Parametr ten wydaje się być najbardziej stabilny w naszym życiu; wszystko wokół nas razem z nami się zmienia, a czas trwa niezmiennie. Ale to tylko złudzenie, o czym będzie dalej.
Uznaliśmy czas jako parametr pomiarowy o niezwykłej dokładności. Od kilkudziesięciu lat niedoścignionym ziemskim wzorcem dokładności pomiaru upływu czasu jest zegar atomowy. Jest on oparty o niezwykle stabilną częstotliwość drgań fal elektromagnetycznych wzbudzonych na skutek przejścia elektronów między określonymi poziomami energetycznymi w atomie 133cezu.
Wydaje się, że wszystko jest jasne, ale nawet w fizyce nie zawsze tak jest, co wykazuje np. konfrontacja dociekań dwóch niekwestionowalnych geniuszy. W roku 1687 Izaak Newton opisał matematycznym równaniem wielkość siły grawitacji między dwoma ciałami w zależności od ich masy i odległości. Zajmując się mechaniką ziemskich zjawisk fizycznych możliwości udziału czasu w tych zależnościach nie uwzględniał.
I oto trzy wieki później fizyk teoretyk A. Einstein, wizualizując w swoim umyśle funkcjonowanie Wszechświata, w rozważaniach dotyczących grawitacji, zamiast odległości uwzględnił przestrzeń i dodał do niej jeszcze czas, ogłaszając ogólną teorię względności, w której zaproponował istnienie czterowymiarowej czasoprzestrzeni.
W roku 1915 Einstein sformułował matematyczną zależność między masą obiektu a czasoprzestrzenią. Ciało niebieskie o odpowiednio dużej masie wygina czasoprzestrzeń, a zatem zmienia również czas. Co ciekawe, zmieniona czasoprzestrzeń dyktuje fizycznemu ciału po jakiej trajektorii ma się ono poruszać. Doświadczalnie potwierdzili to astrofizycy analizując ugięcie fal elektromagnetycznych (światła) przez supermasywne czarne dziury w wyniku soczewkowania grawitacyjnego. Chociaż fale elektromagnetyczne masy (tzw. spoczynkowej) nie mają, to zachowują się tak jakby ją miały. Mają jednak równoważną masie energię. I to musi nam wystarczyć.
Niekwestionowana ogólna teoria względności A. Einsteina dyktuje zatem m.in. względność parametru czasu. Konsekwencje są dalekosiężne. W „tym samym” dla nas ziemskim czasie czas w różnych miejscach czasoprzestrzeni może przyjmować różne wartości upływając z różną prędkością. Ale to, żeby wykazać, że czas jest parametrem względnym, nie trzeba śledzić mechaniki kosmosu. Doświadczymy to lecąc ponaddźwiękowym samolotem na wschód – upływ naszego czasu przyspieszy, a lecąc na zachód – jego upływ mocno zwolni).
Oczywistym stało się zatem, że upływ czasu zależy od układu odniesienia. Jeszcze mocniej doświadczają tego astronauci przebywający miesiące poza Ziemią. Dla nich czas tam płynie wolniej niż dla ludzi, którzy pozostali na Ziemi. Wpływa na to m.in. szybkość, z jaką ich kosmiczny wehikuł się porusza – im szybciej, tym bardziej ich czas zwalnia. Co za wspaniały sposób na spowolnienie starzenia się i przedłużenie sobie życia! Tylko, że efekty fizjologiczne dotyczące naszych ciał, a zwłaszcza mózgu, byłyby tragiczne. Fizjologicznie zestarzelibyśmy się szybciej niż na Ziemi. Co za paradoks – spowalniamy upływ czasu, a proces starzenia się biologicznego organizmu przyspiesza.
No dobrze, jeżeli upływ czasu zależy od układu odniesienia, a w przyjętym układzie odniesienia zależy od prędkości ruchu obiektu, to jak płynie czas dla osoby siedzącej przez godzinę na stacji podczas oczekiwania na swojego gościa jadącego ekspresowym pociągiem z prędkością 100 km/h na trasie wynoszącej 100 km? Wrażenie czekającego jest oczywiste – czas mu się bardzo dłuży. Ale z wcześniejszych dywagacji wynika, że płynie mu szybciej niż jadącemu pociągiem, bo przecież szybkość pociągu spowalnia jego czas. Tylko tu mamy kolejny problem – z jaką dokładnością musiałyby mierzyć upływ czasu identyczne, wyregulowane zegarki czekającego i podróżującego, żeby to udowodnić? Takich osobistych zegarków, nawet szwajcarskich, nie mamy
A teraz czas w wydaniu kosmologicznym. Tu na Ziemi odbieramy sygnały w postaci fal elektromagnetycznych z najodleglejszych rubieży Wszechświata. Dla nas jest to teraz, ale przecież te sygnały docierają na Ziemię po przebyciu odległości mierzonych w latach świetlnych, a to oznacza, że zaistniały przed miliardami lat ziemskich. Najstarsze sygnały określane jako mikrofalowe promieniowanie tła jest echem tzw. Wielkiego Wybuchu przed około 13,8 mld lat. A my, dzięki specjalistycznym instrumentom astronomicznym widzimy je teraz. Jaki sens w tym świetle ma pojęcie „teraz”?
To był przykład ekstremalny na wykazanie, że z fizycznego punktu widzenia „teraz” nie istnieje. Jeżeli uznalibyśmy, że „teraz” jest punktem w upływie czasu między przeszłością a przyszłością, wsparcie tego twierdzenia daje nam matematyka – punkt nie ma wymiaru. To jest tylko takie teoretyczne wyobrażenie – bezwymiarowe pojęcie pierwotne w geometrii. Nasze „teraz” jest zatem też tylko teoretycznym bezwymiarowym wyobrażeniem na skali upływu czasu odgraniczającym przyszłość od przeszłości. Tylko teoretycznym wyobrażeniem, ale jakże użytecznym; podobnie jak bardzo w geometrii użyteczny jest bezwymiarowy „punkt”.
W życiu codziennym używamy często sformułowania, że „czas nam ucieka”. Fizycy teoretyczni twierdzą, że czas można jednak zwolnić, a nawet zatrzymać. Podają, że na horyzoncie zdarzeń wokół czarnych dziur czas zwalnia nieskończenie, a w samych czarnych dziurach przestaje istnieć. I tu brnę dalej – w kosmicznej wędrówce obiektu (teoretycznego) po osiągnięciu przezeń prędkości równej prędkości światła czas dla tego obiektu zatrzymuje się, a zatem przestanie istnieć. Ale nie tylko szybkość ruchu wpływa na upływ czasu. Zależy on również od siły pola grawitacyjnego, zależnego z kolei od masy kosmicznego ciała. Zatem na innych planetach i na naszym Księżycu czas płynąłby dla nas inaczej.
Wróćmy do sformułowania „czas przestaje istnieć”. Jeżeli czas może mieć swój koniec, to spróbuję zapytać „kiedy” miał swój początek i „skąd” rzeczony czas „się wziął”. Najpierw „kiedy”. Można przyjąć, że w momencie zaistnienia Wszechświata, a zatem czas „wziął się” z tzw. Wielkiego Wybuchu. W tym obszarze dociekań fizycy teoretyczni posługują się teorią (może raczej hipotezą) mechaniki kwantowej, zgodnie z którą podczas Wielkiego Wybuchu subatomowe cząstki elementarne, takie jak kwarki, fotony czy elektrony (ale cząstek tych jest więcej) dały początek materii. Ale nie tylko to; od tego momentu zaistniała przestrzeń i zaistniał czas.
U zwykłego człowieka Wszechświat, jak i mechanika kwantowa; która zdaje się tłumaczyć jego początek, budzi wiele zadziwień; u fizyków i kosmologów zresztą też. Czas w mechanice kwantowej właściwie nie istnieje; zaczyna istnieć dopiero z punktu widzenia obserwatora zewnętrznego. Zachowanie cząstek elementarnych w ich świecie „mikro” (może lepiej „nano”, bo rzeczy w skali „mikro” możemy zobaczyć i zmierzyć) jest nieprzewidywalne. Tymczasem w naszym świecie „makro” zachowanie ciał fizycznych można nie tylko zobaczyć, ale często również dokładnie opisywać matematycznymi równaniami deterministycznymi (nie zawsze).
Czy zatem czas jest kluczowym parametrem wyrażającym przejście od niewidzialnej i nieprzewidywalnej mechaniki kwantowej do namacalnej mechaniki fizycznego świata makro – ziemskiego i pozaziemskiego, który jest dla nas widzialny i mierzalny? Nie tylko czas, bo w wyniku Wielkiego Wybuchu razem z czasem zaistniała przestrzeń, a przecież od czasu A. Einsteina uznajemy, że obydwa parametry należy rozważać (w skali Wszechświata) łącznie – w formie czasoprzestrzeni.
Na zakończenie wróćmy jeszcze do problemu z czasem teraźniejszym w naszym ziemskim świecie. To co minęło określamy jako czas przeszły, a to co ma nastąpić jako czas przyszły. Niezależnie na jak krótkie (nazwijmy chwilowe) odcinki podzielimy czas, chwile mijają i chwile nadchodzą. Tu się wszystko zgadza, ale co z chwilą czasu teraźniejszego? Otóż czasu teraźniejszego nie ma, nie ma i już!!! Żeby zaistniała chwila czasu teraźniejszego, nawet niewyobrażalnie krótka chwilka, czas musiałby się zatrzymać, stanąć w miejscu, tak jak dla obiektu pędzącego z prędkością fal świetlnych. A z szybkością światła to my przecież nie żyjemy.
W życiu codziennym lubimy jednak czas zatrzymywać; korzystamy z używania jakże złudnych określeń. Na przykład, na określenie miejsca, które od dawna pozornie się nie zmieniło mamy jakże trafne w tym kontekście powiedzenie „czas się tu zatrzymał”. Albo inne – kiedy przeżywamy jakieś silne wrażenia odczuwamy je jakby „czas stanął w miejscu”. I niech tak zostanie.