Aktualności

Prof. Ryszard Tadeusiewicz, Gazeta Krakowska, 23.08.2017 r.

Ostatnio próbowałem Państwa zainteresować sposobami mierzenia. Zacząłem od mierzenia przestrzeni  i czasu. Dzisiaj chciałbym te dwa tematy połączyć, wprowadzając pojęcie czasoprzestrzeni. Oczywiście nie będę przytaczał definicji tego pojęcia w moim felietonie, bo jest ono naprawdę trudne. Można się o tym przekonać wpisując w Google hasło czasoprzestrzeń i próbując zrozumieć sens objaśnień, które się nam wtedy  ukażą.

Ale można spróbować przybliżyć pojęcie czasoprzestrzeni, rezygnując ze ścisłości i stosując radykalne uproszczenia.

Zacznijmy od tego, czym jest zwykła przestrzeń.

W takiej przestrzeni każdy obiekt ma trzy wymiary: długość, szerokość i wysokość.

Także lokalizację dowolnego punktu w tej przestrzeni, na przykład kropki kończącej poprzednie zdanie, można określić podając trzy współrzędne. Może to być odległość od lewego brzegu gazety, odległość od jej dolnego brzegu oraz odległość (w pionie) od płaszczyzny papieru.

Oczywiście dla wydrukowanej kropki ta trzecia współrzędna ma wartość zero, bo druk znajduje się na powierzchni papieru, ale jeśli umieścimy nad tą kropką palec – to współrzędna określająca wysokość palca może być dowolna.

Przy określani lokalizacji w przestrzeni ważna jest jej baza, czyli układ odniesienia. W opisanym wyżej rozumowaniu bazą była gazeta. Natomiast w pracach naukowych stosujemy inne bazy, na przykład związane ze środkiem Ziemi albo z fundamentem robota – i umiemy się nimi sprawnie posługiwać.

Naukowcy nie poprzestają jednak na trójwymiarowej lokalizacji obiektów, ponieważ obiekty mogą się przemieszczać. Dlatego dla pełnego opisu fizycznej rzeczywistości do wymienionych trzech współrzędnych trzeba dodać informację o czasie: kiedy obiekt znajdował się w danym punkcie przestrzeni? Dochodzi więc czas jako czwarta współrzędna.

Mechanika klasyczna oddzielała współrzędne przestrzenne od czasu, ponieważ w przestrzeni możemy się dowolnie poruszać, natomiast czaspłynie niezależnie od naszej woli.

Ale Einstein, budując teorię względności, wprowadził czasoprzestrzeń, traktując czas jako równorzędny czwarty wymiar. Zrobił tak, ponieważ okazało się, że ruch w zwykłej przestrzeni może spowalniać bieg czasu. Co prawda musi to być ruch bardzo szybki, ale efekt może być zdumiewający: jeśli jeden z braci bliźniaków wybierze się w podróż międzygwiezdną bardzo szybką rakietą, to po powrocie na Ziemię będzie znacznie młodszy od brata, który Ziemi nigdy nie opuścił! Wydaje się to absurdalne, a jednak jest prawdziwe i jest uwzględniane między innymi w systemie GPS.

Co więcej, bieg czasu może zależeć od miejsca w przestrzeni (na przykład, jest on inny w pobliżu czarnej dziury).

Trudno to wszystko zrozumieć, więc na koniec przytoczę żart, pokazujący że trudne pojęcie czasoprzestrzeni można potraktować jako łatwe, gdy się nie zastanawiać nad jego subtelnościami:

Kapralowi nakazano wyjaśnić żołnierzom, czym jest czasoprzestrzeń. Wygłosił taki wykład:

Baczność Koty! Czas i przestrzeń to jedno! I żebyście to zrozumieli, będziecie kopać rów od tego słupka do wieczora!

Jak widać, można znaleźć także łatwą interpretacji czasoprzestrzeni!