Wszystko o czasie.pdf

Artykuł pobrano ze strony eioba.pl

Wszystko o Czasie - Historia Zegara i Pomiarów Czasu w Astronomii i Fizyce

Gruntowna praca popularno-naukowa Kazimierza Borkowskiego na temat mierzenia czasu, historii pomiarów, dni

juliańskich w astronomii, mierzenia czasu w różnych epokach i kulturach, zegara stabilnego i dokładnego. Podstawowe

definicje wzorców czasu, a także czasu pulsarowego w astronomii.

Oryginalnie gruntowna praca naukowa dr Kazimierza Borkowskiego z Uniwersytetu Mikołaja

Kopernika w Toruniu na temat mierzenia czasu, historii pomiarów, dni juliańskich w astronomii,

mierzenia czasu w różnych epokach i kulturach, zegara stabilnego i dokładnego. Podstawowe definicje

wzorców czasu, a także czasu pulsarowego w astronomii. Praca opublikowana w trzech częściach w

Postępach Astronomii - w piśmie naukowym w latach 1992, 1994 i 1995.

Wszystko o czasie (1) - Zmierzyć nieuchwytne

Wszystko o czasie (2) - Na co dzień i w astronomii

Wszystko o czasie (3) - Astronomia a technika atomowa

Postępy Astronomii , t. 40 (1992), z. 2, s. 62–68.

Wszystko o czasie (1)

Zmierzyć nieuchwytne

Kazimierz M. Borkowski

Gdy mowa o czasie i jego pomiarach, pojawia się pragnienie podania jakiejś racjonalnej definicji. Niestety, na

dobrą sprawę nie wiemy co kryje się za tym pojęciem. Ponieważ nie umiemy przemieszczać się w czasie,

możemy zarejestrować tylko jeden raz dane zjawisko. Nie jest więc możliwe bezpośrednie porównanie dwóch

interwałów czasu. Z tego powodu powtarzalność pomiarów, która jest podstawą nauk o mierzeniu (metrologii),

nie stosuje się do samego czasu. Jednakże, chociaż oparta na intuicji, metrologia czasu dostarcza

najprecyzyjniejszych wyników w pełni zgodnych z modelami fizycznymi.

Czym jest czas

W jednej z amerykańskich encyklopedii znalazłem taką oto ,,definicję": czas jest to nieprzestrzenne continuum , w którym

— najwidoczniej — zjawiska następują w nieodwracalnym porządku od przeszłości, poprzez teraźniejszość ku przyszłości.

Chociaż dość zgrabnie ona brzmi, z pewnością definicja taka nie usatysfakcjonuje dociekliwego czytelnika. Pomijając

nawet enigmatyczne continuum mamy wątpliwości czy rzeczywiście jest to twór ciągły, czy zawsze zjawiska przepadają w

przeszłości, a przyszłości nie da się zbadać. Wszak doświadczenia pokoleń wskazują, zda się nie pozostawiając

wątpliwości, że zarówno fragmenty przyszłych zdarzeń, jak i zagubione informacje z przeszłości w szczególnych

okolicznościach dają się zdumiewająco dokładnie odtwarzać — niejako widzieć ,,oczami umysłu" w chwili obecnej. Mam

tutaj na myśli nie tylko spontaniczne jasnowidzenia, prorocze sny czy przepowiednie zawarte np. w Biblii , ale także ogrom

badań metodami naukowymi.

Jeśli już odważymy się zaakceptować realność bodaj niektórych ze zjawisk typu para czy meta , to zaraz pojawia się

wątpliwość czy ,,teraz" jest nieskończenie krótkie, czy raczej ma jakąś rozciągłość w obie strony bądź nawet długie macki.

Jakże powinniśmy interpretować fakt ,,przypominania" sobie przyszłości (obserwowany szczególnie u osób, które przeżyły

śmierć kliniczną). Zastanawiam się, czy za wspomnianą mackę nie można by uznać precyzyjnych przewidywań

konfiguracji planet, Słońca i Księżyca w odległych wiekach, jak to z maestrią robią astronomowie? Czym różnią się takie

,,proroctwa" od przepowiedni losów narodów lub osób — chyba tylko tym, że te astronomiczne są na wskroś godne

zaufania. Z drugiej zaś strony, czyż bezpośrednie badania obiektów, które istniały przed miliardami lat (takimi są przecież

dzisiaj obserwowane kwazary) nie jest zaglądaniem w przeszłość?

Głębia pojęcia czasu umyka zwykłej wyobraźni. By jednak dać choćby mgliste wyobrażenie o jego istocie sięgniemy do

nauk Wschodu. W swym najważniejszym dziele Shobogenzo (skarbiec otwartego oka umysłu) Kigen Dogen —

najgenialniejszy umysł japońskiego buddyzmu — ukazuje nam swe wglądy dotyczące czasu i istnienia, uzyskane przezeń

nie tyle przez spekulatywne rozważania, ile na podstawie najgłębszego doświadczenia tej rzeczywistości (oświecenie

dzięki praktykom zazen ). Jego opinie w pewnym stopniu odpowiadają poglądom, jakie formułują współcześni

przedstawiciele makro- i mikrofizyki, aczkolwiek wyrażone odmiennie. Dogen twierdzi, że każda istniejąca rzecz jest

czasem i że każdy z milionów przedmiotów tego świata, każda istota z osobna jest całym światem. Gdy człowiek

uprzytomni sobie ten fakt — cytując dosłownie za Trzema filarami zen Philipa Kapleau — [wówczas dostrzeże], że każdy

przedmiot, każda żyjąca istota jest całością, mimo że ona sama nie zdaje sobie z tego sprawy. Ponieważ nie ma innego

czasu niż ten, każde istnienie-czas jest całym czasem: jedno źdźbło trawy, każdy przedmiot jest czasem. Każdy moment

czasu zawiera w sobie każde istnienie i każdy świat. ... Nie uważaj czasu po prostu za upływający; nie myśl że upływanie

jest jego jedynym działaniem. Aby czas mógł upływać, musiałby istnieć rozdzielnie [między nim a rzeczami] .

Czas w niektórych kręgach uważa się za obiekt sakralny, pewną świętość trudnodostępną zwykłemu śmiertelnikowi. Takie

rozumienie implikuje, że rzecz którą mierzymy ludzkim narzędziem zwanym zegarem, może w rzeczywistości nie być wcale

czasem. Sami naukowcy często unikają mówienia wprost o czasie zastępując go wyrażeniami typu ,,argument

czasopodobny", rozumiejąc przez to, że czas nie jest obiektem obserwacji jako taki, lecz tylko etykietą zaznaczającą

obserwowane zjawisko.

Wracając ,,na ziemię", trzeba obiektywnie stwierdzić, iż temat czas jest sam w sobie istotnie ,,jak rzeka", i to wcale nie

dlatego, że czas płynie (wszak aspekt płynięcia, jak dopiero co sugerowaliśmy, może być tylko jego cechą zewnętrzną, a

może nawet — jak wielu właśnie sądzi — subiektywną). To, co człowiek wymyślił dla praktycznych celów jest

wystarczająco bogate. W zakresie krótkich odcinków czasowych, powiedzmy rzędu jednej doby, różne pojęcia czasów

odróżnia się przymiotnikami w rodzaju: lokalny (miejscowy) i strefowy, prawdziwy i średni, dynamiczny (efemeryd),

astronomiczny i atomowy, słoneczny, gwiazdowy i pulsarowy, fizyczny i papierowy. Ta już przydługa lista bynajmniej nie

wyczerpuje wszystkich stosowanych skal czasu, a ponadto trzeba by ją poszerzyć o różne wielkoskalowe rachuby

obejmujące dużą rozmaitość kalendarzy i pewne specjalne systemy. Gwoli ścisłości, z każdym pojedynczym zegarem

(fizycznym czy fikcyjnym) można związać jemu tylko specyficzną skalę czasu. Nie oznacza to, by Czytelnik winien popadać

w rozterkę, nawet jeśli stwierdzi, że znaczna część ze wspomnianych pojęć jest mu zgoła obca. Tylko niewielu

specjalistów dobrze orientuje się w zawiłościach związanych z metrologią czasu, gdyż materia ta jest rzeczywiście złożona

(nie tylko w sensie idei) i komplikuje się w miarę postępu w technikach pomiarowych.

Jak ongiś mierzono upływ czasu

Powszechnie sądzi się, że w dawnych czasach człowiek — podobnie jak zwierzęta i rośliny — żył według Słońca,

podporządkowując się następstwu dnia i nocy oraz porom roku. To właśnie codzienna zmiana blasku dnia i mroku nocy

regulowała życiową aktywność człowieka wyznaczając godziny jego pracy i odpoczynku.

Początkowo prosty podział na dzień i noc mógł zupełnie wystarczać do liczenia przedziałów krótszych niż miesiąc.

Ciekawe, że w celu wysłowienia okresu równego dobie niektóre cywilizacje — tak, jak i my dzisiaj — używali wyrazu dzień ,

a inne nazywały go nocą (takiego terminu używali m.in. Żydzi i Arabowie).

Starożytni Hebrajczycy najwyraźniej dzielili noc na trzy okresy i zwali je strażami: wieczorną, nocną i ranną . Każda

obejmowała trzecią część czasu od zachodu do wschodu Słońca, czyli — zależnie od pory roku — około czterech godzin.

W Biblii np. napisano, że Gedeon zaatakował obóz midianicki ,,na początku środkowej straży nocnej" (Sędziów 7:19),

trwającej mniej więcej od godziny dziesiątej wieczorem do drugiej w nocy.

Wydaje się, że jeszcze przed okresem dominacji imperium rzymskiego Żydzi przejęli od Greków i Rzymian podział nocy na

cztery straże zamiast dotychczasowych trzech: pierwszą nazywano z wieczora , drugą — północną , trzecią — o pianiu

kogutów , a czwartą — rankiem .

Oprócz podziału nocy na cztery straże stosowano też system dwunastogodzinny . Np. w Dziejach Apostolskich (23:23)

czytamy, że dla zabezpieczenia Pawłowi bezpiecznej eskorty do Cezarei, Klaudiusz Lizjasz polecił przygotować

470-osobowy oddział na ,,trzecią godzinę w nocy". W jednych społecznościach były to godziny nierówne — różne za dnia

i w nocy, o długości proporcjonalnej do czasu trwania dnia i nocy. Gdzie indziej, godziny miały stałą długość wynikającą z

doby liczonej od wschodu Słońca do następnego wschodu, od jednego zachodu do następnego, od południa do

południa, albo od północy do północy. Pamiętamy jak w jednej z przypowieści Jezus z Nazaretu powiedział: ,,Czy dzień

nie ma dwunastu godzin", co słuchacze winni rozumieć jak ,,czy nie jest to oczywiste". U Hebrajczyków godziny te liczono

od wschodu do zachodu Słońca, czyli mniej więcej od szóstej rano do osiemnastej w naszym systemie. ,,Trzecia godzina"

wypadałaby zatem około dziewiątej rano, a ,,szósta" — w południe. Nie sprawia nam dziś żadnego problemu zrozumienie

dość zgodnej wypowiedzi trzech Ewangelistów (Mateusza, Łukasza i Marka), że Piłat wydał Jezusa na ukrzyżowanie

,,około szóstej godziny" i że Jezus skonał ,,około dziewiątej godziny". Trochę jednak zbija nas z tropu, chociaż z innego

powodu, Marek Ewangelista pisząc jednoznacznie ,,A była godzina trzecia kiedy go ukrzyżowano".

Zapewne później niż wyodrębnienie godzin pojawiła się potrzeba określenia stopniowo coraz mniejszych jednostek:

,,półgodzin'', kwadransów, minut i sekund. Warto tu wspomnieć, że nieco irracjonalny podział godziny czy stopnia — na

akurat 60 mniejszych jednostek (minut), a tych na kolejne 60 jeszcze mniejszych — pochodzi od Babilończyków, którzy

używali systemu sześćdziesiętnego. Można też doszukać się związku naszego podziału okręgu (kąta pełnego) na 360

stopni tak z systemem Sumerów, jak i z ilością dni w roku (Słońce codziennie przesuwa się po niebie, na tle gwiazd,

prawie o 1 stopień; w starodawnym Egipcie, jakieś 5 tysięcy lat temu, rok kalendarzowy miał właśnie okrągło 360 dni).

Skalowanie czasu

Niezbyt radzimy sobie z samym pojęciem czasu, jak zatem określimy jego skalę? Z powodu wspomnianych wcześniej

trudności podstawowych, za definicje skal czasu przyjmuje się ich praktyczną realizację. Tak więc skala czasu jest

bespostaciowa, a u jej podstawy leży procedura przypisywania dat zjawiskom. W większości przypadków procedura

korzysta z określonego ewoluującego systemu nazywanego zegarem , wybranego tak, by każdemu stanowi systemu

można było przypisać liczbę, która jest właśnie datą. Zatem skalę czasu tworzy zbiór stanów stowarzyszony z datami.

Skala może być ciągła, jak w przypadku widomego ruchu ciała niebieskiego, któremu przypisano położenia kątowe, albo

dyskretna, kiedy mamy do czynienia z impulsami takimi, jak z zegara atomowego lub jakimi są sygnały czasu. Są jednak

też skale nie związane bezpośrednio z procesami fizycznymi, będąc wynikiem obliczeń. Takim jest np. międzynarodowy

czas atomowy (TAI), który jest rachunkową syntezą indywidualnych atomowych skal czasu.

Istnieją dwa zasadnicze sposoby realizacji naukowych skal czasu: sumowanie standardowych interwałów czasu prowadzi

do skal integracyjnych , zaś użycie teorii dynamicznych — do skal dynamicznych . Dopóki przyjmowano, że rotacja Ziemi

odbywa się równomiernie, tzn. aż nie pojawiła się teoria Leonarda Eulera (1736 r.), skalę czasu średniego słonecznego

można by kwalifikować do pierwszej kategorii. Tutaj zaliczymy także czas atomowy oparty o fizykę kwantową. Przykładem

skali dynamicznej jest czas efemeryd (ET), który wynika z przepowiadania położeń ciał niebieskich na podstawie teorii ich

ruchu. Kompletna skala czasu powinna mieć początek i jednostki. Początek wybiera się w zasadzie dowolnie biorąc pod

uwagę tradycję i wygodę użytkownika. Wiele różnych jednostek czasu stosuje się w praktyce, lecz najważniejszą z nich

jest dzisiaj sekunda i tylko ona figuruje — na poczesnym zresztą miejscu — w międzynarodowym układzie (SI).

Sekunda

Ta swojsko brzmiąca nazwa ma podobny rdzeń w wielu językach. Pochodzi ona z łaciny: secunda divisio znaczy drugi

podział — drugi po podziałce minutowej godziny, ale też stopnia w mierze kątowej. Ciekawy wyjątek występuje w języku

węgierskim, w którym sekunda ma nazwę másodperc (wymawiane: maszodperc) — dosłownie druga ( második ) minuta

( perc ).

W 1832 r. Karol F. Gauss zdefiniował sekundę jako 1/86400 część średniej doby słonecznej. Tak pozostało aż do 1956 r.

Z definicji tej wynikało, że jednostkę czasu wywodzi się z rotacji Ziemi wokół własnej osi, którą naonczas uważano za

równomierną. Poprawa dokładności zegarów, zwłaszcza po pojawieniu się wahadłowych zegarów Williama H. Shorta i

zegarów kwarcowych, w latach dwudziestych i trzydziestych naszego stulecia pozwoliła najpierw wykryć, a potem

zmierzyć, roczne zmiany okresu rotacji Ziemi. W celu wyeliminowania tych nieregularności w 1956 r. zmieniono definicję

sekundy odnosząc ją teraz do okresu obiegu Ziemi wokół Słońca, ściślej do długości roku zwrotnikowego w roku 1900

(rok zwrotnikowy, to czas upływający pomiędzy kolejnymi przejściami Słońca przez punkt Barana, tj. miejsce przecięcia

równika niebieskiego z ekliptyką 1 , i zarazem cykl powtarzania się pór roku). Ponieważ z wcześniejszej teorii ruchu Ziemi

Simona Newcomba wynikało, że wspomniany rok zwrotnikowy miał 31556925,9747... ówczesnych sekund to w nowej

definicji powiedziano, że sekunda jest 1/31556925,9747 częścią owego roku. W 1960 r. definicja taka weszła do układu

SI, chociaż nie na długo. Możnaby sądzić, że przynajmniej w aspekcie sekundy posłuchano wtedy żartobliwej

,,przepowiedni" Boya napisanej przezeń kilkadziesiąt lat wcześniej:

By uniknąć ambarasu,

Wzięto rok za miarę czasu.

Dzielą go (bardzo wygodnie)

Na miesiące i tygodnie.

Tydzień znów z grubsza podzielę

Na zwykłe dni i Niedzielę.

Do pracy są zwykłe dzionki,

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: