Jak udowodniono teorię Einsteina, czyli paradoks bliźniąt

Fizycy jako spadkobiercy filozofów przyrody od wieków rozważają nad czasem. Starają się dojść do tego, co decyduje o jego własnościach. Bardzo ciekawe i intrygujące jest to, że najważniejsze, a za razem najbardziej ponadczasowe koncepcje czasu ukształtowały się już wkrótce po narodzinach nowożytnej fizyki.

Izaak Newton, zastanawiając nad istotą czasu, w roku 1687 pisał: Czas absolutny, praw-dziwy i matematyczny, sam z siebie i przez swą naturę, upływa równomiernie bez związku z czymkolwiek zewnętrznym i inaczej nazywa się trwaniem (według niemieckiego miesięcznika „Das Be-ste” cytat ten brzmi inaczej: Prawdziwy, matematyczny czas płynie równo, nie mając odniesienia do żadnych procesów zewnętrznych). Wydaje się na zdrowy rozum, ze nie ma nic bliższego prawdy. Przecież jeśli nastawimy nasz zegarek według zegara na Zamku Królewskim, wskazówki obu mechanizmów będą posuwać się z tą samą prędkością, niezależnie od tego, co robi właściciel zegarka i co stanie się z Zamkiem. Czas płynie bez względu na to, jak usiłujemy nim manipulować. Nawet jeśli nastawię swój zegarek na inny czas, i tak nie odbędę podróży w czasie. Przez ponad 250 lat fizycy byli przekonani, że Newton ma rację i wtedy pojawił się Albert Einstein.

Ten uczony w 1905 roku sformułował między innymi swoje szczegóły dotyczące teorii względności. Powiedział: czas jest względny. Upływa z rozmaitą prędkością w zależności od tempa poruszania się przedmiotów w przestrzeni. Jego praca "O elektrodynamice ciał w ruchu” odnosi się do całej fizyki, ale pod pewnymi względami stoi w poważnej sprzeczności z intuicyjnym rozumieniem czasu i przestrzeni. Jeżeli jego teoria względności odpowiada prawdzie, czas nie jest bytem absolutnym. Wystarczy, byśmy poruszali się dostatecznie szybko, czas zależy bowiem od szybkości podróżującego. Przeczytałam, że fizycy ilustrują to twierdzenie następującą opowiastką: żyła niegdyś para bliźniaków, Ernest i Ernestyna. Ernestyna wyruszyła w jednodniową podróż w przestrzeń. Rankiem wsiadła do rakiety, mknącej prawie z prędkością światła i poleciała w kosmos. Ernest został na Ziemi. Gdy po kilku godzinach siostra wróciła, ku swemu zdumieniu spostrzegła, że jej bliźniaczy brat posiwiał, a jego twarz pokrywają zmarszczki. Podczas podróży siostry na Ziemi upłynęło wiele, wiele lat.

Ernestyna, urodzona tego samego dnia, co jej brat, była teraz od niego o wiele młodsza, tylko dlatego, że z wielką prędkością podróżowała w kosmosie. Fizycy nazywają to zjawisko paradoksem bliźniąt. Chodzi o to, że kobieta żyła w innym układzie odniesienia - szybko poruszającego się statku kosmicznego o własnej skali czasu. Gdy wylądowała, wróciła do układu odniesienia swojego, gdzie czas płynął dużo szybciej.

Przy pomocy niezwykle dokładnych zegarów naukowcy potrafią można dowieść, że paradoks bliźniąt nie jest tylko science fiction. W październiku 1971 roku fizycy amerykańscy Joseph Hafele i Richard Keating umieścili na jego pokładzie jumbo jeta cztery precyzyjne i niezawodne zegary atomowe. Cztery inne zegary zostawiono na Ziemi, miały one pozwolić na porównania. Samolot, który startował z Waszyngtonu, dwukrotnie okrążył Ziemię. Gdy wylądował, uczeni wstrzymali dech w piersiach. Podróżujące zegary w istocie wykazywały około 300 miliardowych sekundy opóźnienia - dokładnie, jak przewidywał Einstein.

Różnica 300 miliardowych sekundy - to niewiele, nawet nie tyle, co mrugnięcie oka. Ale paradoks bliźniąt nadal ma duże znaczenie praktyczne. Statki, sterowane satelitarnie, muszą go brać pod uwagę, w przeciwnym razie zboczą z kursu o ładnych „parę” kilometrów.

Kolejnym przykładem jest zegar umieszczony na wieży Uniwersytetu Harvarda, który, jak wykazały precyzyjne pomiary przeprowadzone w 1960 roku, chodził szybciej niż ten 23 metry niżej.

Teoria Einsteina mówi też, że potężne masy materii - takie jak planety, gwiazdy czy czarne dziury - zniekształcają przestrzeń, a zatem rozciągają bądź ścieśniają czas. Uczony założył, że istnieje stałość prędkości światła. W każdym zakątku wszechświata światło rozprzestrzenia się z jednakową prędkością, niezależnie od szybkości poruszania się jego źródła. Cząsteczki światła zawsze rozchodzą się z prędkością 300 000 kilometrów na sekundę. W matematycznych równaniach teorii względności czas i przestrzeń są nierozerwalnie ze sobą związane - niczym nici w u-tkanym materiale.

Zrozumiałam to, gdy przeczytałam następujący dowód: Załóżmy, że z tego czasoprzestrzennego materiału upleciemy hamak. Każdy, kto utnie sobie w nim drzemkę, musi go w różnych miejscach rozciągnąć. Gdy śpiący się porusza, wybrzuszenia materiału przesuwają się w różne strony. Bardzo podobnie rozciąga się i kurczy czasoprzestrzeń, i to rzeczywiście, nie tylko teoretycznie. Czas Einsteina nie jest już absolutny. Fizyk Claus Kiefer, jeden z czołowych niemieckich badaczy czasu, ilustruje to w następujący sposób: Jeżeli zmienię pozycję swego ciała, obracając się na krześle od biurka w stronę pokoju - zmieniam krzywiznę przestrzeni, a co za tym idzie, czasoprzestrzeń tego pomieszczenia. A zatem czas płynie z różną prędkością w rozmaitych miejscach tego pokoju przed i po wykonaniu w nim ruchu.

W życiu nie zauważamy tego, ale na niezwykle szczegółowych i precyzyjnych aparatach można to udowodnić. Fizycy udowodnili też - usiłując teoretycznie pogodzić ze sobą dwie sprzeczne koncepcje Newtona i Einsteina. Rezultatem tego teoretycznego połączenia była następująca konkluzja: czas znika. Z matematycznego punktu widzenia traci wszelkie znaczenie. Wspominany już fizyk niemiecki mówi: W równaniach pojęcie czasu już nie występuje. To fakt matematyczny, nie do pojęcia z punktu widzenia ludzkiej percepcji.

Nie wspomniałam jeszcze o jednym bardzo ważnym fakcie - o jednokierunkowości czasu. Czas upływa, nigdy się nie cofając. Gdy zwrócimy uwagę na proste zjawiska, a film puścimy do tyłu nie dostrzeżemy istotnej różnicy. Gdy podobnie postąpimy ze zjawiskami bardziej złożonymi, takimi choćby jak roztrzaskujący się o marmurową posadzkę kryształowy wazon, okaże się, że cofający się film przedstawia sytuacje, które nigdy nie występują. Czy ktoś widział, jak roztrzaskany w drobny mak wazon zbiera się z powrotem w pierwotny kształt?

Teraz może coś o szalonych naukowcach i konstruktorach (załóżmy, że ich pomysły da się zrealizować), którzy za wszelką cenę chcą obalić prawo jednokierunkowości czasu. Wyobraźmy sobie, że któryś z nich buduje wehikuł czasu i rusza w przeszłość. Zabija tam swojego dziadka, nim ten zdążył spłodzić syna, czyli ojca szalonego konstruktora. Mordując dziadka unicestwia ojca, a tym samym siebie - nie może istnieć. Czy opłacają się więc podróże w czasie?
Najśmieszniejsze w tym wszystkim jest jednak to, że choć od tylu lat fizycy rozważają nad czasem, podobno jeszcze żaden z nich nie sformułował jasnej i zrozumiałej, ani jakiejkolwiek innej definicji co to właściwie jest cały ten czas.