Kilka dni temu zmieniliśmy czas letni na zimowy – cofnęliśmy wskazówki zegarków o godzinę i spaliśmy nieco dłużej. Przesunięcie wskazówek dało na krótko powrót do takiej ilości porannego światła słonecznego, jaką mieliśmy przed miesiącem, a za około miesiąc będziemy wstawali w takich samych ciemnościach, jakie mieliśmy w ostatnią sobotę czasu letniego. Manewr zmiany czasu teoretycznie pozwala zaoszczędzić energię elektryczną rano, w praktyce jednak pogoda w naszym klimacie to uniemożliwia, ponieważ najczęściej jest pochmurno i deszczowo, więc cały efekt oszczędnościowy, jeżeli w ogóle, jest niewielki. Ba! Dwukrotne przestawienie czasu generuje niemałe koszty. Najlepsze tego przykłady, które obserwujemy wszyscy, to: zamieszanie komunikacyjne, a w zakładach pracy dłuższa o godzinę nocna zmiana z soboty na niedzielę, powodująca konieczność wypłaty nadgodzin.

Sam moment zmiany, ta powtórzona godzina raz w roku (raz, ponieważ wiosną wskazówki przesuwamy do przodu) ma jednak w sobie jakąś magię. Jeśli chcemy doznać niepokojącego uczucia zaburzenia przepływu czasu, warto na własne oczy zobaczyć moment, w którym zegary elektroniczne z godz. 3.00 w nocy same przestawiają się na godz. 2.00, by potem mozolnie wrócić do punktu wyjścia.

Tylko która godzina jest punktem wyjścia? Czy czas można traktować inaczej niż ten płynący monotonnie do przodu?

Jak to się ma do obserwacji?

Czas nigdy nie był traktowany jako wymiar, po którym można się poruszać. Nie był jak długość, szerokość czy głębokość, nie można go było wydłużyć czy spowolnić. Nikomu nawet nie przychodziła do głowy poważna koncepcja, według której mając godzinę na odpoczynek, wydłużalibyśmy ją sobie tak, aby minęło np. 10 godzin, a potem wracalibyśmy do swoich spraw w świecie, w którym minęła tylko jedna godzina. Byłoby to kompletne zaprzeczenie zdroworozsądkowego oglądu świata i praw fizyki, które od stuleci się sprawdzały.

Pierwszą przesłanką, że może być inaczej, były obserwacje pozornego ruchu gwiazd i ich położenia na niebie (aberracji gwiazdowej) wykonane w XVIII wieku. Pozornego, bo wynikającego z ruchu Ziemi wokół Słońca. Posługiwano się wtedy mechaniką zakładającą, że jeśli obserwujemy obiekt poruszający się np. 30 km/h i z tego obiektu wyleci inny z prędkością np. 15 km/h (powiedzmy, że jedziemy samochodem i przez otwartą szybę wyrzucamy przed siebie kamień), to dla obserwatora ten drugi obiekt będzie się poruszał z prędkością 45 km/h. Podczas obserwacji pozornego ruchu gwiazd Ziemia w cyklu rocznym albo się od nich oddala, albo zbliża się do nich, czyli kiedy się oddala, to do prędkości światła emitowanego przez obserwowaną gwiazdę należałoby dodać prędkość Ziemi. Nasza planeta poruszałaby się wtedy w stosunku do gwiazdy z prędkością większą od jej światła, czyli nie powinniśmy jej widzieć. Na początku XIX wieku odkryto, że aberracja jest identyczna dla różnych gwiazd w różnych porach roku, tzn. prędkość emitowanego przez nie światła nie jest zależna od ruchu zarówno Ziemi, jak i ich samych. Zagadnienie to nurtowało ówczesnych fizyków, którzy szukali sposobów na udowodnienie, że światło rozchodzi się z różną prędkością w próżni; napełniali nawet teleskopy wodą, ale oczekiwanych zmian prędkości światła nie udało się zaobserwować.

Dopiero w 1905 r. niemiecki fizyk Albert Einstein opublikował teorię nazwaną później Szczególną Teorią Względności (STW). Zawierała ona dwa postulaty: w każdym układzie odniesienia zasady fizyki są identyczne (czyli obserwując odległą gwiazdę, zakładamy, że prawa fizyki są tam takie same jak na Ziemi) oraz dla wszystkich obserwatorów w każdym układzie odniesienia prędkość światła w próżni jest identyczna i nie zależy od ruchu źródła tego światła.

Jak to się ma do czasu?

Wbrew pozorom teoria Einsteina ma ogromny wpływ na postrzeganie upływu czasu. Okazuje się, że biorąc pod uwagę obiekty poruszające się z prędkościami bliskimi prędkości światła w próżni, możemy zauważyć różnice w prędkości upływu czasu dla różnych układów odniesienia. Najlepiej zilustrować tę różnicę za pomocą prostego przykładu.

Postawmy na powierzchni Ziemi obserwatora z sekundnikiem, a wysoko nad nim – w kosmosie – niech przemieszcza się statek kosmiczny z prędkością np. połowy prędkości światła. W statku kosmicznym jest żarówka umieszczona dokładnie w połowie odległości między dziobem a rufą (przyjmijmy znane wszystkim morskie nazewnictwo) i znajduje się kosmonauta potrzebny do obsługi włącznika światła. Dajmy kosmonaucie także sekundnik. W naszym przykładzie pomijamy wszelkie proporcje i przyjmujemy, że światło od żarówki do dziobu statku ma przemieszczać się sekundę, czyli odległość wynosi blisko 300 tys. km, bo prędkość światła w próżni to właśnie ok. 300 tys. km/s.

Zaczynamy eksperyment. Kosmonauta włącza żarówkę i w tym samym momencie włączają się stopery jego i obserwatora na Ziemi. Po sekundzie światło dociera do dziobu statku kosmicznego i obydwa stopery się wyłączają. Co widzimy? Otóż stoper kosmonauty pokazuje 1 s. Słusznie, ponieważ odległość między żarówką a miejscem, do którego ma dotrzeć światło, jest ciągle ta sama. Nie ma żadnego znaczenia fakt, że statek znajduje się w ruchu.

Z punktu widzenia człowieka na Ziemi żarówka wysyła światło i po sekundzie ono nie dociera do punktu odbiorczego, ponieważ ten punkt przesunął się do przodu z prędkością połowy prędkości światła. Dopiero po kolejnym ułamku sekundy promień żarówki oświetla dziób statku kosmicznego i właśnie wtedy wyłącza się stoper obserwatora. Tutaj ruch statku ma fundamentalne znaczenie dla obserwacji. Moment końca eksperymentu jest dokładnie ten sam. Następuje po dotarciu promienia światła do odbiornika znajdującego się na dziobie statku kosmicznego. Dla obserwatora na Ziemi stało się to jednak po czasie większym, niż zmierzył to kosmonauta. Różnica w pomiarach tego samego zjawiska, ale w różnych układach odniesienia, będących względem siebie w ruchu, nazywa się dylatacją czasu.

Jak się to ma do praktyki?

Aby stwierdzić dylatację czasu, nie trzeba rozpędzać się do prędkości bliskich prędkości światła. Wystarczą bardzo precyzyjne metody pomiaru czasu. Jak bardzo? Otóż można zaobserwować efekt podobny jak w przykładzie powyżej, podczas lotu samolotem lub poruszając się po orbicie Ziemi. Tyle że różnica na stoperze miłośnika obserwacji przelotów samolotowych stojącego na łące i ta na stoperze pilota obserwowanego samolotu powinna wynosić najwyżej kilkaset nanosekund (nanosekunda to jedna miliardowa część sekundy). Spektakularna jest obserwacja, że zjawisko w ogóle zachodzi, choć sceptycy zwracali uwagę na możliwe niedokładności pomiaru. Twardych dowodów dostarczyły akceleratory, czyli urządzenia, w których przyspiesza się cząstki do prędkości bliskich prędkości światła i bada ich właściwości. Rozpad połowiczny przyspieszanych atomów pierwiastków promieniotwórczych wyraźnie spowalniał dla obserwatora z zewnątrz w porównaniu z atomami znajdującymi się w stanie spoczynku. Niezależnie od mikroskopijnych (a właściwie nanoskopijnych) różnic w pomiarach czasu w samolocie i na Ziemi efekt dylatacji czasu musi być brany pod uwagę podczas posługiwania się np. systemami nawigacji satelitarnej. W końcu wszyscy korzystający z niej są w ruchu i należy to uwzględnić podczas pomiarów.

Jeśli chodzi o podróże w czasie, to zgodnie ze Szczególną Teorią Względności są one możliwe wyłącznie do przodu. Można wyobrazić sobie wysłanie statku kosmicznego poruszającego się z prędkością bliską światłu w rundkę po bliskim kosmosie i wracającego po kilku latach, które upłyną na jego pokładzie. Zgodnie z STW na Ziemi upłynie wtedy kilkadziesiąt lub nawet kilkaset lat. Oczywiście, o ile załoga przeżyje przyspieszanie do tak wielkich prędkości – ale to już temat na zupełnie inne rozważania.