Ludzie od zarania dziejów starali się mierzyć upływ czasu, lecz zdefiniowanie czym jest czas nastręczało trudności. Wyraził to zwięźle św. Augustyn mówiąc, iż wie, co to jest czas, kiedy nikt go nie pyta, ale zapytany, nie potrafi odpowiedzieć. My również intuicyjnie to wiemy, lecz co będzie, gdy zechcemy wyjaśnić komuś to pojęcie?

 

Niektórzy filozofowie twierdzą, iż jest to – i zawsze będzie – niemożliwe. Odczuwanie upływu czasu jest podstawą naszego postrzegania i pojmowania rzeczywistości, tak fundamentalną, że nie da się tego przeanalizować w sposób racjonalny. Inaczej mówiąc, sam proces myślenia o istocie czasu jest skażony naszym odczuwaniem czasu. Sytuacja jest zatem podobna, jak w badaniach nad ludzkim mózgiem. Wielu uczonych sądzi, że nie da się zrozumieć jak pracuje mózg, po prostu dlatego, że mózg nie może sam siebie zanalizować.

Istoty żywe są wyposażone w rodzaj wewnętrznego zegara biologicznego. Przez długi czas uważano, że jest on regulowany przez następstwo dnia i nocy. Jednak dokładniejsze badania wykazały, iż nawet żyjąc w warunkach ciągłego, sztucznego oświetlenia ludzki organizm nie rezygnuje z 24-godzinnego rytmu snu i czuwania. Zresztą o tym, jak bardzo ów wewnętrzny zegar może rozmijać się z porami doby, wiedzą wszystkie „nocne marki”.

Rytm ten charakteryzuje również zwierzęta i rośliny. Co znamienne, u szczurów urodzonych w laboratorium, w którym nigdy nie gaszono światła, zegar biologiczny wcale nie ulega rozstrojeniu, choć zwierzęta nigdy przecież nie zetknęły się z rytmem dnia i nocy.

Roślinna dokładność

Niezależność zegara biologicznego od następstwa dzień-noc nie oznacza jednak, że organizmy żywe są zupełnie obojętne na tak ważne czynniki, jak światło i ciemność. Co więcej, mogą nawet w jakiś sposób je „mierzyć”.

Większość osób, zapytanych dlaczego rośliny kwitną na wiosnę, odpowiedziałaby, że dlatego, iż robi się ciepło. To rzeczywiście jedna z przyczyn, ale bynajmniej nie najważniejsza. W końcu, nawet gdy wiosna jest szczególnie chłodna, na pewno zakwitną wszystkie rośliny. Potrafią one bowiem reagować na długość dnia. W odpowiednim momencie, gdy dni są już odpowiednio długie, włącza się mechanizm odpowiedzialny za kwitnienie. Reakcja ta musi polegać na porównaniu długości dnia z jakimś wzorcem, i to z dokładnością do kilku minut, a więc większą, niż stosowane jeszcze trzysta lat temu przez ludzi zegary. Jak to możliwe – wciąż nie wiadomo.

Kwiaty pojawiają się w różnym czasie, a zatem zegary biologiczne roślin muszą być inaczej ustawione: jedne kwitną wczesną wiosną, inne późną itp. Otwiera to ciekawe możliwości dla archeologii. Kiedy w roku 1922 odkryto w Dolinie Królów grób Tutanchamona, datę pochowania faraona określono na przełom marca i kwietnia. Było to możliwe dzięki znalezionej w grobowcu wiązance kwiatów. Gatunek ten kwitnie w Egipcie właśnie wczesną wiosną.

Kierunek – przyszłość?

Bez względu na to, jak działa nasz zegar biologiczny, kilka rzeczy w odniesieniu do czasu wydaje się pewnych. Nasze życie przebiega od narodzin do śmierci, nigdy odwrotnie. Metalowy przedmiot koroduje, ale zardzewiały drut nie przemieni się w nie skorodowany. Słońce powstało niegdyś z obłoku pyłu międzygwiezdnego i rozbłysło, lecz po wypaleniu się wodoru zniknie kiedyś w czerni wszechświata. I tak dalej.

A więc czas płynie jednokierunkowo – od przeszłości do przyszłości? Współczesna fizyka wcale tego nie postuluje. Równania dopuszczają zarówno przepływ czasu w tym – oczywistym dla nas – kierunku, jak i w przeciwnym: od przyszłości do przeszłości. Dlaczego jednak rozbita szklanka nigdy sama z siebie nie powraca do swej pierwotnej, nie uszkodzonej formy? Fizycy lubią mówić o tzw. strzałkach czasu. Jedna z nich to termodynamiczna strzałka czasu. We wszechświecie rośnie stan nieuporządkowania, entropia. Elementy uporządkowane (takie jak szklanka) zamieniają się w nieuporządkowane (rozbita szklanka). Aby tę tendencję odwrócić, należy dostarczyć energii (np. sklejając szklankę). Stopniowo we wszechświecie coraz więcej materii przechodzi ze stanu uporządkowanego w stan nieuporządkowany. Również organizm żywy, kiedy umiera, przyczynia się do wzrostu entropii.

Druga strzałka czasu – psychologiczna – wiąże się z faktem, że pamiętamy przeszłość, ale nie „pamiętamy” przyszłości; żyjemy więc w jednym kierunku.

Wydaje się, że wszystkie te mechanizmy są ze sobą połączone – strzałki wskazują ten sam kierunek. Ludzka świadomość działa w oparciu o strzałkę termodynamiczną – inaczej mówiąc, jest dla nas naturalne odczuwanie czasu w kierunku wzrostu entropii.

Teoretyczne dywagacje fizyków prowadzą w dość ciekawych kierunkach. Zakładając, na przykład, że termodynamiczna strzałka czasu wskazywałaby kierunek odwrotny: najpierw widzielibyśmy stłuczoną szklankę, a dopiero później jak składa się ona w całość. Czy wówczas nasza psychologiczna strzałka czasu również biegłaby do tyłu? Czy pamiętalibyśmy przyszłość, a nic nie wiedzieli o przeszłości? Czy żylibyśmy wstecz?

Koniec absolutu

Przez stulecia czas uważany był za czynnik stały. Oczywiście, zmieniał się, płynął od przeszłości ku przyszłości, ale dla wszystkich jednakowo. Bez względu na to, kto i gdzie mierzył odstęp czasu między dwoma zdarzeniami, odczyt musiał być zawsze taki sam. W czas absolutny wierzyli zarówno Arystoteles, jak i Newton.

Cios tym poglądom zadał Albert Einstein. Powiązał on czas z przestrzenią i wykazał, że pomiar czasu zależy od punktu odniesienia. Innymi słowy, obserwator w jednym miejscu może stwierdzić, że dla niego czas płynie wolniej lub szybciej niż dla obserwatora w innym miejscu (ich zegary nie będą chodzić w tym samym tempie). Zależy to od prędkości poruszania się obu obserwatorów względem siebie.

We wszechświecie każdy obiekt porusza się względem innych. Przy dużych prędkościach, bliskich prędkości światła w próżni, z czasem dzieją się dziwne rzeczy. Obrazuje to tzw. paradoks bliźniąt. Załóżmy, że jeden z braci bliźniaków pozostaje na Ziemi, a drugi wyrusza w podróż kosmiczną z prędkością bliską 300 tys. km na sekundę. Zgodnie z teorią względności, obserwator na Ziemi zauważy, że czas dla jego brata, podróżującego w kosmosie, płynie wolniej. Po powrocie wyprawy okaże się, że bliźniak ze statku kosmicznego jest młodszy od tego, który pozostał na Ziemi. Dzieje się tak dlatego, że czas zwalnia przy ogromnych prędkościach, bliskich prędkości światła.

Ale to nie wszystko. Inną konsekwencją ogólnej teorii względności jest fakt, że czas płynie wolniej również w pobliżu wielkich mas, np. Ziemi. W 1962 r. wykazano to doświadczalnie – zegar atomowy umieszczony na wieży ciśnień chodził szybciej od zegara na powierzchni ziemi.

Ma to duże znaczenie przy obliczaniu orbit satelitów. Różnica ułamka sekundy, wynikająca z zaniedbania praw względności, mogłaby doprowadzić do pomyłki w wyznaczeniu orbity o wiele kilometrów.

Spowolnienia czasu w polu grawitacyjnym również może nas doprowadzić do nieco zmodyfikowanego paradoksu bliźniąt. Zakładając, że jeden z braci mieszka na wysokiej górze, a drugi na poziomie morza, uzyskamy podobny, tyle że znacznie słabszy niż w przypadku podróży z prędkością podświetlną, efekt – obaj bracia postarzeją się, ale w nierównym stopniu. Różnica wieku będzie minimalna, ale będzie.

Godzina „na oko”

Choć dla wielu z nas może to zabrzmieć zaskakująco – od dawna już ludzkość egzystuje według czasu „sztucznego”, mającego niewiele wspólnego z czasem rzeczywistym. Rytm naszego życia odmierza ustalony arbitralnie tzw. czas średni. Epoka czasu prawdziwego minęła bezpowrotnie wraz z odejściem zegarów słonecznych. To one bowiem – a nie nasze dzisiejsze zegarki – były w stanie mierzyć rzeczywisty czas dla każdego konkretnego miejsca, w którym się znajdowały.

Pomiar czasu to jeden z wyróżników cywilizacji. Z biegiem wieków stawał się coraz bardziej niezbędny. Rosły też wymagania co do dokładności wskazań. Pierwszym myśliwym wystarczało określanie pór roku, z którymi wiązały się migracje zwierzyny. Rolnicy stanęli już przed koniecznością dokładniejszego przewidzenia pory zasiewów czy – jak w starożytnym Egipcie – pory wylewu Nilu. Nadal jednak chodziło bardziej o precyzję kalendarza, a nie zegara. Upływ czasu w ciągu doby regulowały dwa zjawiska – wschód i zachód słońca – i przez tysiąclecia to wystarczało.

Podział doby na godziny został wymyślony w Mezopotamii i przyjął się stopniowo w innych kręgach cywilizacyjnych. Nie był on zbyt wygodny w użyciu. Godziny liczono od wschodu do zachodu słońca (oraz w nocy), co – jak łatwo zauważyć – sprawiało, iż zimą godziny były krótsze, a latem dłuższe.

A jednak żyli tak starożytni Egipcjanie, Babilończycy i Grecy. A Rzymianie z takim – z naszego punktu widzenia bezużytecznym – systemem zbudowali imperium. Dopiero w I w. n.e. pojawił się podział doby na 24 godziny równe, ale przyjmował się długo i z oporami; jako „sztuczny”. Nic zresztą dziwnego. W systemie godzin nierównych dla rolnika, który szedł spać o zmroku, dwunasta godzina dnia w sposób naturalny była ostatnia. Natomiast według nowej mody godzina dwunasta wypadała już głęboką nocą.

Przybliżony czas wystarczał ludziom także przez następne wieki, nie znające dzisiejszego pośpiechu. Obsesja skonstruowania jak najdokładniejszych zegarów i wtłoczenia życia w godziny, minuty i sekundy pojawiła się nie z jakiejś ludzkiej wewnętrznej potrzeby, ale na użytek żeglugi morskiej i imperializmu.

Słoneczne początki

Przez tysiąclecia konstrukcja zegarów opierała się na dwóch zasadniczych zjawiskach. Pierwsze z nich, to fakt, iż oświetlone przez słońce przedmioty rzucają cień i że cień ów przesuwa się wraz z wędrówką słońca po niebie. Tak powstały zegary słoneczne, zapewne pierwsze w dziejach mierniki czasu. Drugie zjawisko to różnego rodzaju przepływ rozmaitych substancji. W oparciu o nie konstruowano zegary wodne i klepsydry z piaskiem.

Inspiracją dla budowy pierwszego zegara słonecznego była zapewne obserwacja przez konstruktora swego własnego cienia. Jeszcze w średniowieczu określano w ten sposób przybliżony czas. Zegar słoneczny powstał w Mezopotamii, w połowie II tysiąclecia p.n.e. Stamtąd, około VII–VI w. p.n.e., trafił do Grecji. Za twórcę pierwszego greckiego zegara słonecznego uważano słynnego filozofa Anaksymandra z Miletu.

Za czasów Cezara i Augusta znano już kilkanaście rodzajów zegarów słonecznych, w tym modele przenośne. W II w. n.e. aleksandryjski astronom Ptolemeusz (twórca systemu geocentrycznego) odkrył prawidła matematyczne umożliwiające wykreślanie skali zegara słonecznego na dowolnie nachylonych do horyzontu płaszczyznach, np. na pionowych ścianach.

Choć zegary słoneczne wskazywały prawdziwy czas, dla konkretnego miejsca i pory dnia, wyższość zegarów przepływowych była oczywista – działały przez całą dobę. Ich dokładność nie zadowoliłaby jednak dzisiejszego człowieka Zachodu – błąd wynosił co najmniej kwadrans na 24 godziny.

Pierwsze zegary mechaniczne, konstruowane w Europie w XIII w., były jednak jeszcze gorsze – późniły się lub spieszyły nawet o kilkadziesiąt minut na dobę.

Z zegarem przez ocean

Przełom nastąpił w XVII w., wraz ze zbudowaniem najpierw czasomierzy z wahadłem, a następnie przenośnych zegarów sprężynowych, z drgającym balansem. Pozwoliło to na zwiększenie dokładności do kilku sekund na dobę. Od tego momentu możemy mówić o zachodniej obsesji czasu i punktualności.

Skonstruowanie precyzyjnego zegara było oczkiem w głowie brytyjskiej admiralicji. Chodziło o zdobycie przewagi na morzu. Dotychczas bowiem nawigowano według gwiazd i słońca. Z określaniem szerokości geograficznej nie było problemu – wystarczyło zmierzyć wysokość słońca w zenicie. Gorzej było z określeniem długości geograficznej. Do tego niezbędny jest precyzyjny zegar. W roku 1714, z inicjatywy Newtona, wyznaczono nawet nagrodę dla konstruktora zegara, który podczas rejsu z Wielkiej Brytanii do Ameryki i z powrotem spóźni się nie więcej niż o minutę. Nagroda wynosiła 20 tys. funtów szterlingów, co stanowiło wówczas fortunę. Udało się ją zdobyć dopiero w pół wieku później Johnowi Harrisonowi, genialnemu mechanikowi, a z zawodu cieśli. Jego chronometr, przewieziony w roku 1761 z Londynu na Jamajkę i z powrotem, spóźnił się w ciągu 151 dni o 56 sekund.

Atomowa precyzja

Nawet dziś wydaje nam się to dużym osiągnięciem. Warto jednak pamiętać, że obecnie Europa i Ameryka są ze sobą zsynchronizowane z dokładnością dziesiątki milionów razy większą niż wówczas. Zawdzięczamy to zegarom atomowym – urządzeniom, w których czas odmierzany jest drganiami atomów jakiegoś pierwiastka. Ich precyzja jest wręcz niewiarygodna.

Pierwsza konkurencja dla zegarów sprężynowych pojawiła się w roku 1929 wraz z wynalezieniem zegarów kwarcowych. Ich sercem był pobudzony prądem elektrycznym do drgań kryształ kwarcu. Oznaczało to gwałtowny skok w dokładności pomiaru czasu do jednej stutysięcznej sekundy na dobę.

Zegary kwarcowe mają jednak pewną wadę. Kryształ kwarcu, pod wpływem drgań, stopniowo zmienia swoje właściwości mechaniczne. Zmienia się wówczas częstotliwość drgań i zegar ulega rozregulowaniu w stopniu uniemożliwiającym wykorzystywanie go do celów naukowych. Idealnym wyjściem z kłopotu okazało się zbudowanie zegara atomowego. Już pierwsze takie chronometry osiągały dokładność rzędu jednej dziesięciomiliardowej części promille (10-13). Gdybyśmy, na przykład, zsynchronizowali dwa zegary atomowe i pozostawili je na 2 tys. lat, to ich wskazania różniłyby się po tym czasie najwyżej o jedną tysięczną sekundy.

Najlepsze obecnie zegary atomowe, oparte na atomach cezu-133, mogą się spieszyć lub późnić o sekundę dopiero po… 300 mln lat, jak zegar w Obserwatorium paryskim. Dla celów naukowych testuje się jednak od kilku lat zegary oparte na atomach strontu, które są nieporównanie precyzyjniejsze. Taki zegar spóźniłby się lub pośpieszył o sekundę dopiero po kilku miliardach lat.

Powrót do natury?

Zegary słoneczne można jeszcze niekiedy podziwiać na zabytkowych budowlach. Gdybyśmy potrafili się nimi posługiwać, moglibyśmy odczytać prawdziwy czas słoneczny, a więc zrobić coś, czego nie potrafią nasze zegarki. Epoka zegarów słonecznych skończyła się definitywnie w XIX w., kiedy rozwój środków transportu zamienił świat w globalną wioskę i wymusił standaryzację czasu dla całej planety.

Wprowadzono strefy czasowe liczone od południka zerowego, przechodzącego przez Greenwich. Od tego momentu czas, wskazywany przez zegary w danym miejscu na Ziemi, jest czasem umownym, uśrednionym. To kolejny element oderwania człowieka od natury.

Ale, być może, nie wszystko jeszcze stracone. W roku 2000 został skonstruowany przez Polaka, Marka Szymochę, pierwszy na świecie całodobowy zegar słoneczny. Czy to możliwe? Oczywiście – w pobliżu bieguna. Zegar powstał na zamówienie Polskiej Stacji Polarnej na Spitsbergenie. Niestety, chodzi bez przerwy tylko przez pół roku, po czym na pół roku – na okres nocy polarnej – zatrzymuje się.

A może powrotem do natury – w innym sensie – byłby powrót do konstruowania zegarów roślinnych? Zegar taki wymyślił w XVIII w. sławny szwedzki przyrodnik Karol Linneusz. Zbudowany był z żywych kwiatów, tak dobranych gatunkowo, by otwierały się o różnych porach dnia. Gatunków tych było jedenaście – od powoju, który rozkwitał o trzeciej rano, do wilca purpurowego rozchylającego płatki o dwudziestej drugiej. Kwiaty pochodziły z różnych miejsc globu ziemskiego i z różnych stref klimatycznych.

Jeszcze bardziej ekstrawaganckim dziełem „zegarmistrzowskim”, skonstruowanym w tymże XVIII w. (skądinąd obfitującym w tego rodzaju pomysły), okazał się zegar… zapachowy. Mechanizm jego działania opierał się na spostrzeżeniu, iż wiele kwiatów wydziela zapach w sposób regularny, co – jak wiemy – umożliwia pomiar czasu. Podobnie jednak jak zegar Linneusza, także i zegar aromatyczny nie doczekał się szerszego zastosowania. Oba przeszły do historii jako wybitne osiągnięcia sztuki ogrodniczej, a nie zegarmistrzowskiej.

Niewykluczone zresztą, że zbliżamy się do końca wyścigu z – nomen omen – czasem. Jak w 2015 r. wykazali fizycy teoretyczni z Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu w Nottingham, nie da się w nieskończoność konstruować coraz precyzyjniejszych zegarów aż do zbudowania zegara idealnego, czyli takiego, który mierzyłby czas idealnie dokładnie. Dotychczas sądzono, że jest to możliwe, takie bowiem milczące założenie przyjął Albert Einstein w teorii względności – dokładny pomiar czasu miał być możliwy bez względu na to, czy układ pozostaje w spoczynku, porusza się z prędkością jednostajną czy też przyspiesza. Naukowcy z Warszawy i Nottingham wykazali teoretycznie, iż niemożliwe jest zbudowanie takiego zegara w układach poruszających się z ogromnymi przyspieszeniami. W uproszczeniu, chodzi o zaburzenia w tempie rozpadu cząstek poruszających się z wielkimi przyspieszeniami, a tempo rozpadu cząstek jest przecież postawą pomiaru czasu.

Czy zatem Natura sama postawiła nam barierę na drodze, która coraz bardziej nas od niej oddala? A może należałoby na to spojrzeć z innej strony – im bardziej zagłębiamy się w badanie praw rządzących przyrodą, tym bardziej się do niej zbliżamy? I to rolnik z epoki neolitu, nie rozumiejąc tych praw, a nie my obecnie, żył w gruncie rzeczy z dala od natury, a nie w zgodzie z nią.

Nie ma chyba zatem do czego wracać…