Wyobraź sobie, że stoisz na środku pustego pokoju. Możesz zrobić krok w przód, cofnąć się, przesunąć w lewo lub podskoczyć do góry. Masz pełną swobodę poruszania się w trzech kierunkach. To jest właśnie przestrzeń. Ale w tym samym momencie dzieje się coś, na co nie masz najmniejszego wpływu – starzejesz się o każdą sekundę, a Twoja kawa stygnie. To jest czas. Choć w fizyce często traktuje się je jako jedność, w naszym codziennym doświadczeniu różnią się od siebie w sposób fundamentalny.

Trzy wymiary kontra jeden

Najbardziej oczywistą różnicą jest liczba wymiarów. Przestrzeń jest trójwymiarowa (3D). Oznacza to, że do opisania dowolnego punktu potrzebujemy trzech współrzędnych: długości, szerokości i wysokości. Dzięki temu możemy budować domy, latać samolotami i precyzyjnie określać, gdzie znajduje się dany przedmiot.

Czas natomiast jest jednowymiarowy (1D). W naszym odczuciu przypomina on linię, po której poruszamy się tylko w jednym kierunku. Nie możemy „skręcić” w czasie ani wyjść poza jego bieg. W fizyce relatywistycznej czas dodaje się do trzech wymiarów przestrzennych, tworząc czterowymiarową czasoprzestrzeń, ale nawet tam zachowuje on swoją specyficzną naturę.

Strzałka czasu i brak powrotu

To prawdopodobnie najważniejsza różnica, którą odczuwamy na własnej skórze. W przestrzeni ruch jest odwracalny. Jeśli pójdziesz do sklepu, możesz dokładnie tą samą drogą wrócić do domu. Przestrzeń jest pod tym względem „symetryczna”.

Czas jest jednak „asymetryczny”. Zjawisko to nazywamy strzałką czasu. Poruszamy się z przeszłości, przez teraźniejszość, ku przyszłości i – co najważniejsze – nie możemy zawrócić. Nie da się „odwidzieć” filmu ani sprawić, by rozbite jajko z powrotem stało się całe. Wiąże się to z drugą zasadą termodynamiki i pojęciem entropii, która w układach zamkniętych zawsze rośnie, wprowadzając nieodwracalny nieład.

Ciekawostka: Dlaczego nie pamiętamy przyszłości?

Skoro czas jest wymiarem podobnym do przestrzeni, dlaczego pamiętamy tylko to, co było? Fizycy sugerują, że wynika to właśnie z niskiej entropii wszechświata w momencie Wielkiego Wybuchu. Nasz mózg zapisuje informacje w procesie, który sam w sobie zwiększa entropię, co narzuca nam jednostronne postrzeganie upływu chwil.

Czasoprzestrzeń, czyli wielkie połączenie

Przez wieki, dzięki Newtonowi, myśleliśmy, że czas i przestrzeń to dwie oddzielne sceny, na których rozgrywają się wydarzenia wszechświata. Wszystko zmienił Albert Einstein i jego teoria względności. Okazało się, że czas i przestrzeń są ze sobą nierozerwalnie splątane w strukturę zwaną czasoprzestrzenią.

Różnica między nimi staje się płynna, gdy zaczynamy poruszać się z ogromnymi prędkościami (bliskimi prędkości światła). Wtedy dochodzi do zjawiska dylatacji czasu i kontrakcji długości. Im szybciej poruszasz się w przestrzeni, tym wolniej płynie dla Ciebie czas w stosunku do obserwatora, który stoi w miejscu. Można powiedzieć, że „zużywasz” część swojego ruchu w czasoprzestrzeni na przemieszczanie się w wymiarach fizycznych, przez co „zostaje” go mniej na ruch w wymiarze czasowym.

Matematyczne ujęcie różnicy

Jeśli spojrzymy na równania fizyczne, różnica między czasem a przestrzenią sprowadza się do jednego małego znaku w metryce czasoprzestrzeni (tzw. metryce Minkowskiego). W uproszczeniu, wzór na „odległość” w czasoprzestrzeni wygląda tak:

$$s^2 = \Delta x^2 + \Delta y^2 + \Delta z^2 - (c \cdot \Delta t)^2$$

Gdzie:

• $s$ to interwał czasoprzestrzenny,
• $x, y, z$ to współrzędne przestrzenne,
• $c$ to prędkość światła,
• $t$ to czas.

Zauważ, że współrzędne przestrzenne mają znak dodatni, a współrzędna czasowa ma znak ujemny (lub odwrotnie, zależnie od przyjętej konwencji, ale znaki zawsze są przeciwne). Ten jeden minus w równaniu sprawia, że czas zachowuje się inaczej niż przestrzeń – to on definiuje przyczynowość i sprawia, że światło zawsze porusza się z tą samą prędkością.

Grawitacja a upływ czasu

Warto też wspomnieć, że przestrzeń i czas reagują na masę. Ogólna teoria względności mówi, że masa (np. Ziemia czy Słońce) zakrzywia czasoprzestrzeń. To zakrzywienie odczuwamy jako grawitację. Co ciekawe, grawitacja wpływa nie tylko na to, jak spadają przedmioty (przestrzeń), ale też na to, jak szybko tykają zegary. Im silniejsze pole grawitacyjne, tym wolniej płynie czas.

Dlatego zegary na pokładzie satelitów GPS muszą być stale korygowane. Znajdują się one dalej od środka Ziemi, gdzie grawitacja jest słabsza, więc ich czas płynie odrobinę szybciej niż nasz na powierzchni. Bez uwzględnienia tej różnicy, nawigacja w Twoim telefonie myliłaby się o kilkanaście kilometrów każdego dnia!