Απαντήσεις σε ερωτήσεις που θέτουν τα παιδιά για τον χρόνο.

Από σελίδα του BBC Μάρτιος 2001

Ο Γαλαξίας μαςΤι είναι ο χρόνος; Η διάρκεια μιας ημέρας καθορίζεται από την περιστροφή της Γης, αλλά τι συμβαίνει με τις ώρες τα λεπτά και τα δευτερόλεπτα; Αυτά είναι τελείως ανθρώπινες επινοήσεις που έγιναν πριν από αιώνες και διατηρήθηκαν μέχρι σήμερα από ιστορικές συμπτώσεις. Μέχρι σήμερα έχουμε υιοθετήσει το δεκαδικό σύστημα σε πάρα πολλές μονάδες μέτρησης γιατί έτσι γίνονται ευκολότερα οι υπολογισμοί, αλλά έχουμε μείνει προσκολλημένοι στον χωρισμό της ημέρας σε 24 ώρες, της ώρας σε 60 λεπτά και του λεπτού σε 60 δευτερόλεπτα.

Γιατί άραγε; Σήμερα τα πιο πολλά ρολόγια βασίζουν τη χρονομέτρησή τους στις ταλαντώσεις κρυστάλλων quartz. Για πολύ μεγάλη ακρίβεια χρησιμοποιούμε τις κβαντικές ιδιότητες ατομικών ρολογιών. Αυτές βασίζονται στις ταλαντώσεις ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται κατά τις μεταπτώσεις μεταξύ των ενεργειακών σταθμών ενός ατόμου Καισίου 133. Ο επίσημος διεθνής ορισμός του ενός δευτερολέπτου είναι η διάρκεια 9,192,631,770 τέτοιων ταλαντώσεων. Το Διεθνές Γραφείο Χρόνου στο Παρίσσι χρησιμοποιεί 80 τέτοια ατομικά ρολόγια σε 24 ώρες για να ορίσει τον Συντονισμένο Παγκόσμιο Χρόνο (UTC) με ακρίβεια 1/1000 του δευτερολέπτου. Επειδή ο χρόνος περιστροφής της Γης δεν είναι απολύτως σταθερός αλλά κυμαίνεται λίγο από χρόνο σε χρόνο, προστίθεται κάθε τόσο ένα δευτερόλεπτο στον Παγκόσμιο Χρόνο για να βρίσκεται σε σύμπτωση με τον μέσο χρόνο του Greenwich. Ακριβώς όπως προσθέτουμε κάθε 4 χρόνια μια ημέρα στη διάρκεια του έτους για να εξισορροπήσουμε το γεγονός ότι η διάρκεια του έτους δεν είναι ακριβώς 365 ημέρες.

Ο Συγχρονισμός. Η ιδέα ότι ο χρόνος θα μπορούσε να συγχρονιστεί σε διαφορετικά μέρη είναι σχετικά πρόσφατη. Τον 19ο αιώνα στη Βρετανία ως μεσημέρι όριζαν την χρονική στιγμή που ο ήλιος βρίσκεται ακριβώς πάνω από το κεφάλι μας, και τη στιγμή εκείνη χτυπούσαν τα ρολόγια στις γειτονικές εκκλησίες. Με τον ερχομό όμως του σιδηροδρόμου πρόκυψε η ανάγκη του συγχρονισμού των ρολογιών για να μπορέσουν να φτιαχτούν αξιόπιστοι πίνακες ωρών δρομολογίων.
Το 1847 οι πιο πολλές σιδηροδρομικές εταιρίες στη Βρετανία χρησιμοποιούσαν την ώρα Greenwich η οποία το 1880 έγινε η επίσημη ώρα στη Βρετανία εκτός από τη θερινή περίοδο όπου προστίθεται μια ώρα. Ο Συγχρονισμός. Η ιδέα ότι ο χρόνος θα μπορούσε να συγχρονιστεί σε διαφορετικά μέρη είναι σχετικά πρόσφατη. Τον 19ο αιώνα στη Βρετανία ως μεσημέρι όριζαν την χρονική στιγμή που ο ήλιος βρίσκεται ακριβώς πάνω από το κεφάλι μας, και τη στιγμή εκείνη χτυπούσαν τα ρολόγια στις γειτονικές εκκλησίες. Με τον ερχομό όμως του σιδηροδρόμου πρόκυψε η ανάγκη του συγχρονισμού των ρολογιών για να μπορέσουν να φτιαχτούν αξιόπιστοι πίνακες ωρών δρομολογίων.
Η ακριβής χρονομέτρηση είναι κρίσιμη για το Παγκόσμιο Σύστημα Εύρεσης Θέσης (GPS) το οποίο βασίζεται στους δορυφόρους και χρησιμεύει για να βρίσκουν με ακρίβεια τα πλοία τις συντεταγμένες τους. Οι χρηματαγορές σε όλο τον πλανήτη από τη Ν. Υόρκη ως το Τόκυο βασίζονται σε ακριβείς χρονικές στιγμές ανοίγματος και κλεισίματος. Τα φανάρια κυκλοφορίας στους δρόμους χρειάζονται να είναι συγχρονισμένα για να γίνεται ομαλά η κυκλοφορία και τέλος εσείς χρειάζεται να ξέρετε τι ώρα ακριβώς να ανοίξετε την τηλεόρασή σας για να παρακολουθήσετε το αγαπημένο σας πρόγραμμα.

Αναπαράσταση μετά την σύγκρουση δύο πυρήνων, που δείχνει τα ελεύθερα πράσινα,κόκκινα, και μπλε quarks στην αρχέγονη σούπα που υπήρχε μετά το Big Bang Που θα βρισκόμουν αν δεν υπήρχε ο χρόνος; Αλίμονο, αυτή είναι μια δύσκολη ερώτηση για ν’ απαντηθεί. Όπως και πολλές άλλες ερωτήσεις γύρω από τη θεμελιακή έννοια του χρόνου, μπορεί να έχει πολλές σωστές αλλά και εξίσου πολλές λανθασμένες απαντήσεις. Να μια για την οποία εσείς αποφασίζετε αν συμφωνείτε ή όχι. Εγώ θα έλεγα ότι η ζωή χρειάζεται χρόνο για να υπάρξει – συνεπώς δεν θα μπορούσαμε να υπάρχουμε χωρίς χρόνο. Αυτό που εννοώ είναι ότι η ζωή εμπεριέχει την σταθερή εξέλιξη και αλλαγή των βιολογικών συστημάτων: μεμονωμένες μονάδες όπως εμείς αναπτύσσονται και τελικά πεθαίνουν όπως και όλα τα είδη κάνουν το ίδιο. Ο νόμος που το καθορίζει αυτό είναι ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος που λέει ότι στο Σύμπαν κυριαρχεί η τάξη η οποία τείνει όμως σε αταξία. Στην πορεία τους αυτή οι δομές εξελίσσονται αλλά τίποτα δεν μένει στατικό. Αυτό που αποκαλούμε χρόνο είναι ένα πράγμα που σηματοδοτεί αυτή την αλλαγή, κι έτσι ο χρόνος είναι αυτό που συμβαίνει καθώς το Σύμπαν και εμείς εξελισσόμαστε. Έτσι λοιπόν αν δεν υπήρχε ο χρόνος ούτε εμείς θα υπήρχαμε.

Στο πρώτο μάθημα υπήρξε μια αναφορά στον πλανήτη Ερμή και μια υπόσχεση να επιστρέψουμε στο σημείο αυτό σε ένα επόμενο μάθημα.
Σωστή τοποθέτηση. Η ανάλυση του ποιο είναι το λάθος με τον Ερμή είναι ότι ο Ερμής κινείται όπως και όλα τα αντικείμενα στον κόσμο υπακούοντας στις εξισώσεις της Σχετικότητας του Einstein και όχι του Νεύτωνα. Έτσι οι προβλέψεις για την κίνηση του Ερμή που βασίζονται στους νόμους του Νεύτωνα είναι λανθασμένες – το λάθος αυτό είναι αξιοσημείωτο στην περίπτωση του Ερμή διότι η τροχιά του επηρεάζεται σημαντικά από το ισχυρό βαρυτικό πεδίο του Ήλιου. Για κινούμενα αντικείμενα επί της Γης όπως λόγου χάριν το παλιό αυτοκίνητό μου, η επίδραση της Σχετικότητας είναι μικρή κι έτσι οι εξισώσεις του Νεύτωνα εργάζονται θαυμάσια αν και το αυτοκίνητό μου δεν δουλεύει και τόσο καλά.

Είναι αλήθεια ότι αν μια μύγα χτυπήσει στο μπροστινό μέρος ενός κινούμενου τρένου, για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου τη στιγμή ακριβώς που χτυπάει η μύγα,τόσο η μύγα όσο και το τραίνο θα σταματήσουν στιγμιαία;
Όσον αφορά το αν θα σταματήσει το τραίνο, η απάντηση είναι όχι αν και αυτό θα αποτελούσε μια θαυμάσια δικαιολογία για την αργοπορία των τραίνων. Η συνολική ορμή του τραίνου και της μύγας διατηρείται – το τραίνο συνεχίζει την κίνησή του προς τα εμπρός, πιθανόν με λίγο μικρότερη ταχύτητα και η μύγα αλλάζει στιγμιαία την κατεύθυνση της κίνησής της από. Αν υποθέσουμε ότι η μύγα έχει λίγη ελαστικότητα (σαν μια λαστιχένια μπάλα) θα λέγαμε ότι καθώς συντρίβεται στο τραίνο ένα μέρος από αυτήν στιγμιαία σταματάει, αλλά αυτό δεν είναι σημαντικό φαινόμενο ( εκτός βέβαια από τη σκοπιά της φτωχής μύγας).

Ο συνήθης χρόνος του ρολογιού είναι ένα μέτρο της περιόδου μεταξύ γραμμικών γεγονότων. Ο ωρολογιακός χρόνος μεταξύ δύο γεγονότων που επαναλαμβάνονται κανονικά μπορεί να αλλάξει από κάποια δύναμη, που δρα στα γεγονότα, παραδείγματος χάριν ένα ρολόι εκκρεμές μπορεί να κατασκευαστεί να κινείται γρηγορότερα αλλά και πάλι με κανονικό ρυθμό.

Αλλά μπορεί η περίοδος μεταξύ δύο κανονικών συμβάντων όπως μετρείται συνήθως από τον ωρολογιακό χρόνο, να μεταβληθεί από την παραμόρφωση του χρόνου; Είναι δηλαδή ο χρόνος μια δύναμη από μόνος του;
Θα άλλαζα την αρχική διαπίστωσή σας για να πω ότι ο κανονικός ωρολογιακός χρόνος είναι το μέτρο της περιόδου μεταξύ συμβάντων, χωρίς καμιά αναφορά σε γραμμικότητα ή όχι. Δυο ρολόγια μπορούν να διαφωνούν το ένα με το άλλο διότι (α) το ένα έχει κάποιο μηχανικό πρόβλημα, πχ τελειώνει η μπαταρία. Ή (β) διότι το ένα κινείται σχετικά με το άλλο (Θεωρία σχετικότητας του Einstein). Στην περίπτωση (α) ο χρόνος δεν έχει αλλάξει για κανένα ρολόι, αυτά απλώς είναι αναξιόπιστοι καταγραφείς του περάσματος του χρόνου. Η περίπτωση (β) είναι όμως τελείως διαφορετική – ο χρόνος είναι ο ίδιος παραμορφωμένος ενώ τα ρολόγια είναι απολύτως αξιόπιστοι καταγραφείς του περάσματός του. Στις περισσότερες περιπτώσεις - σχεδόν σε όλες – της καθημερινής μας ζωής τα ρολόγια διαφωνούν το ένα με το άλλο εξαιτίας της περίπτωσης (α).

Super NovaΠότε νομίζετε ότι τα ταξίδια στο χρόνο θα είναι δυνατόν να πραγματοποιηθούν;
Νομίζω ότι θα περάσει πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα πριν οποιοδήποτε υλικό σώμα (που περιέχει άτομα κλπ) ταξιδέψει για κάποιο σημαντικό χρονικό διάστημα στο μέλλον ή στο παρελθόν. Μπορεί όμως να είναι πολύ πιο εύκολο να στείλουμε μηνύματα μέσα στο χρόνο αφού αυτά ταξιδεύουν ως φωτεινά κύματα (ραδιοκύματα, μικροκύματα, κύματα φωτός κλπ είναι όλα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός). Ας έχουμε λοιπόν τις αισθήσεις μας σε επιφυλακή για παράξενα μηνύματα.

Είναι δυνατόν από φυσική άποψη να περνάει ο χρόνος κατά την αντίστροφη φορά;
Ποτέ και εννοούμε ποτέ: Υπάρχουν μερικές θεωρίες που υπαινίσσονται ότι υπάρχουν θύλακες στο Σύμπαν όπου ο χρόνος κυλάει αντίστροφα. Το πρόβλημα είναι πώς να ελέγξουμε αυτές τις θεωρίες για να ξέρουμε αν υπάρχει καμιά αλήθεια σ’ αυτές. Οι εποχές αλλάζουν ο χρόνος περνάει. Τι θα κάναμε χωρίς αυτό; Παρόλο που θα μας άρεσε δεν μπορούμε να ξανατυλίξουμε προς τα πίσω ή να ξετυλίξουμε γρήγορα την ταινία της ζωής μας. Το παρελθόν είναι πίσω μας και το μέλλον δεν έχει έλθει ακόμα. Υπάρχει μια ισχυρή αίσθηση ότι ο χρόνος περνάει και μάλιστα με σταθερό ρυθμό, και γενικεύοντάς το λέμε ότι αυτό συμβαίνει και σε κάθε γωνιά του Σύμπαντος.

Ομοίως, ανταλλαγές ενέργειας που συμβαίνουν κάθε φορά που τα αντικείμενα αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο, αναδιανέμουν προοδευτικά το συνολικό ποσό ενέργειας στο Σύμπαν. Αυτός είναι ο Δεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος. Μας λέει ότι η θερμότητα (ή η ενέργεια) μπορεί να κινηθεί αυθόρμητα από θερμότερα αντικείμενα σε ψυχρότερα, αλλά ποτέ αντίστροφα.

Χρειάζεται ενέργεια για να κρατηθούν τα πράγματα σε τακτοποιημένη δομή όπως αυτές που βλέπουμε γύρω μας – σπίτια, πόλεις, πλανήτες, αστέρια, γαλαξίες. Καθώς η ενέργεια αναδιατάσσεται η τάξη καταρρέει, σαν ερημωμένο χωριό που προοδευτικά καταρρέει. Ως αναπόφευκτη συνέπεια του Δεύτερου νόμου, το συνολικό ποσό της αταξίας – η εντροπία – πάντα αυξάνει στο Σύμπαν. Θεωρητικά το Σύμπαν θα φτάσει σε μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, στην οποία κάθε τι βρίσκεται στην ίδια θερμοκρασία και όλες οι δομές έχουν καταρρεύσει. Το βέλος του χρόνου δείχνει από την τάξη προς την αταξία, την οριστική μοίρα του Σύμπαντος.

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Πέντε μαθήματα για το βέλος του χρόνου