Время в физике

Фундаментальная величина в физике

Маятник Фуко в Пантеоне в Париже может измерять время , а также демонстрировать вращение Земли .

В физике время определяется его измерением : время — это то, что показывают часы . ^[1] В классической, нерелятивистской физике это скалярная величина (часто обозначаемая символом ) и, как длина , масса и заряд , обычно описывается как фундаментальная величина . Время можно математически объединить с другими физическими величинами , чтобы вывести другие концепции, такие как движение , кинетическая энергия и зависящие от времени поля . Хронометраж — это комплекс технологических и научных вопросов, а также часть основы ведения записей . ${\displaystyle t}$

Маркеры времени

До появления часов время измерялось теми физическими процессами ^[2], которые были понятны каждой эпохе цивилизации: ^[3]

• первое появление (см.: гелиакический восход ) Сириуса , отмечающее разлив Нила каждый год ^[3]
• периодическая смена дня и ночи , кажущаяся вечной ^[4]
• положение на горизонте первого появления солнца на рассвете ^[5]
• положение солнца на небе ^[6]
• обозначение момента полудня в течение дня ^[7]
• длина тени, отбрасываемой гномоном ^[8]

В конце концов, ^{[9] [10]} стало возможным характеризовать течение времени с помощью инструментов, используя операциональные определения . Одновременно с этим развивалась и наша концепция времени, как показано ниже. ^[11]

Единица измерения времени

В Международной системе единиц (СИ) единицей времени является секунда (символ: с). С 1967 года она определяется как «продолжительность9 192 631 770 периодов излучения , соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133», и является базовой единицей СИ . ^[12] Это определение основано на работе цезиевых атомных часов . Эти часы стали применяться в качестве первичных эталонов примерно после 1955 года и используются до сих пор.

Современное искусство в хронометрии

Временная метка UTC , используемая во всем мире, является атомным стандартом времени. Относительная точность такого стандарта времени в настоящее время составляет порядка 10 ^{−15 [13]} (что соответствует 1 секунде приблизительно за 30 миллионов лет). Наименьший временной шаг, считающийся теоретически наблюдаемым, называется временем Планка , которое составляет приблизительно 5,391×10 ⁻⁴⁴ секунд — на много порядков ниже разрешения современных стандартов времени.

Атомные часы на основе цезия стали практичными после 1950 года, когда достижения в области электроники позволили надежно измерять генерируемые ими микроволновые частоты. По мере дальнейшего развития исследования атомных часов перешли на все более высокие частоты, которые могут обеспечить более высокую точность и достоверность. Часы, основанные на этих методах, были разработаны, но пока не используются в качестве основных эталонов.

Концепции времени

Галактика Андромеды ( M31 ) находится на расстоянии двух миллионов световых лет . Таким образом, мы видим свет M31, который был два миллиона лет назад, ^[14] во времена, когда на Земле еще не было людей .

Галилей , Ньютон и большинство людей вплоть до 20-го века считали, что время одинаково для всех и везде. Это основа для временных линий , где время является параметром . Современное понимание времени основано на теории относительности Эйнштейна , в которой скорость течения времени различается в зависимости от относительного движения, а пространство и время объединены в пространство-время , где мы живем на мировой линии , а не на временной линии. С этой точки зрения время является координатой . Согласно преобладающей космологической модели теории Большого взрыва , само время началось как часть всей Вселенной около 13,8 миллиарда лет назад.

Закономерности в природе

Для того чтобы измерить время, можно записать количество случаев (событий) некоторого периодического явления . Регулярные повторения времен года , движения солнца , луны и звезд отмечались и табулировались на протяжении тысячелетий, прежде чем были сформулированы законы физики . Солнце было арбитром течения времени, но время было известно только с точностью до часа на протяжении тысячелетий , поэтому использование гномона было известно в большей части мира, особенно в Евразии , и по крайней мере на юге до джунглей Юго-Восточной Азии . ^[15]

В частности, астрономические обсерватории, использовавшиеся в религиозных целях, стали достаточно точными, чтобы определять регулярное движение звезд и даже некоторых планет.

Сначала хронометрирование производилось вручную священниками, а затем в коммерческих целях, когда сторожа отмечали время как часть своих обязанностей. Таблица равноденствий , песочные часы и водяные часы становились все более точными и, наконец, надежными. Для кораблей в море использовались морские песочные часы . Эти устройства позволяли морякам определять время и рассчитывать скорость плавания.

Механические часы

Ричард Уоллингфордский (1292–1336), настоятель аббатства Сент-Олбанс, построил знаменитые механические часы в качестве астрономической планетарии около 1330 года. ^{[16] [17]}

Ко времени Ричарда Уоллингфордского использование храповиков и шестеренок позволило городам Европы создавать механизмы для отображения времени на своих городских часах; ко времени научной революции часы стали достаточно миниатюрными, чтобы семьи могли делиться личными часами или, возможно, карманными часами. Сначала их могли себе позволить только короли. Маятниковые часы широко использовались в 18 и 19 веках. В общем использовании они в значительной степени были заменены кварцевыми и цифровыми часами . Атомные часы теоретически могут сохранять точное время в течение миллионов лет. Они подходят для стандартов и научного использования.

Галилей: течение времени

В 1583 году Галилео Галилей (1564–1642) открыл, что гармоническое движение маятника имеет постоянный период, о чем он узнал, синхронизируя движение качающейся лампы в гармоническом движении на массе в Пизанском соборе со своим пульсом . ^[18]

В своих «Двух новых науках» (1638) Галилей использовал водяные часы для измерения времени, необходимого бронзовому шару для качения на известное расстояние по наклонной плоскости ; эти часы выглядели так: ^[19]

...большой сосуд с водой, помещенный на возвышении; ко дну этого сосуда была припаяна трубка небольшого диаметра, дающая тонкую струю воды, которую мы собирали в небольшой стакан во время каждого спуска, будь то по всей длине канала или по части его длины; собранная таким образом вода взвешивалась после каждого спуска на очень точных весах; разности и соотношения этих весов давали нам разности и соотношения времен, и это с такой точностью, что, хотя операция повторялась много-много раз, не было заметного расхождения в результатах.

Экспериментальная установка Галилея для измерения буквального течения времени с целью описания движения шара предшествовала заявлению Исаака Ньютона в его «Началах» : «Я не определяю время , пространство , место и движение , как общеизвестные». ^[20]

Преобразования Галилея предполагают, что время одинаково для всех систем отсчета .

Ньютоновская физика: линейное время

Около 1665 года, когда Исаак Ньютон (1643–1727) вывел движение объектов, падающих под действием силы тяжести , появилась первая четкая формулировка для математической физики трактовки времени: линейное время, задуманное как универсальные часы .

Абсолютное, истинное и математическое время само по себе и по своей собственной природе течет равномерно, безотносительно к чему-либо внешнему, и другим именем называется длительность: относительное, кажущееся и общее время есть некоторая чувственная и внешняя (точная или неточная) мера длительности посредством движения, которая обычно употребляется вместо истинного времени; например, час, день, месяц, год. ^[21]

Механизм водяных часов , описанный Галилеем, был спроектирован так, чтобы обеспечить ламинарный поток воды во время экспериментов, тем самым обеспечивая постоянный поток воды на протяжении всего эксперимента и воплощая то, что Ньютон называл длительностью .

В этом разделе приведенные ниже соотношения рассматривают время как параметр, который служит индексом поведения рассматриваемой физической системы. Поскольку флюенты Ньютона рассматривают линейный поток времени (то, что он называл математическим временем ), время можно было бы считать линейно изменяющимся параметром, абстракцией хода часов на циферблате. Календари и судовые журналы могли бы быть сопоставлены с ходом часов, дней, месяцев, лет и столетий.

Термодинамика и парадокс необратимости

К 1798 году Бенджамин Томпсон (1753–1814) открыл, что работа может быть преобразована в тепло без ограничений — предшественник закона сохранения энергии или

• 1-й закон термодинамики

В 1824 году Сади Карно (1796–1832) провел научный анализ паровой машины с помощью своего цикла Карно , абстрактного двигателя. Рудольф Клаузиус (1822–1888) отметил меру беспорядка, или энтропию , которая влияет на постоянно уменьшающееся количество свободной энергии, доступной для двигателя Карно в:

• 2-й закон термодинамики

Таким образом, непрерывный марш термодинамической системы от меньшей к большей энтропии при любой заданной температуре определяет стрелу времени . В частности, Стивен Хокинг выделяет три стрелы времени: ^[22]

• Психологическая стрела времени – наше восприятие неумолимого потока.
• Термодинамическая стрела времени – отличается ростом энтропии .
• Космологическая стрела времени – характеризуется расширением Вселенной.

Со временем энтропия увеличивается в изолированной термодинамической системе. Напротив, Эрвин Шредингер (1887–1961) указал, что жизнь зависит от «отрицательного потока энтропии» . ^[23] Илья Пригожин (1917–2003) заявил, что другие термодинамические системы, которые, как и жизнь, также далеки от равновесия, также могут демонстрировать стабильные пространственно-временные структуры, напоминающие жизнь. Вскоре после этого были сообщены о реакциях Белоусова–Жаботинского ^[24] , которые демонстрируют колеблющиеся цвета в химическом растворе. ^[25] Эти неравновесные термодинамические ветви достигают точки бифуркации , которая нестабильна, и другая термодинамическая ветвь становится стабильной вместо нее. ^[26]

Электромагнетизм и скорость света

В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) представил объединенную теорию электричества и магнетизма . Он объединил все известные тогда законы, относящиеся к этим двум явлениям, в четыре уравнения. Эти уравнения известны как уравнения Максвелла для электромагнетизма ; они допускают решения в виде электромагнитных волн и распространяются с фиксированной скоростью, c , независимо от скорости электрического заряда, который их породил.

Тот факт, что свет, как предсказывается, всегда движется со скоростью c , был бы несовместим с теорией относительности Галилея, если бы предполагалось, что уравнения Максвелла справедливы в любой инерциальной системе отсчета (системе отсчета с постоянной скоростью), поскольку преобразования Галилея предсказывают уменьшение (или увеличение) скорости в системе отсчета наблюдателя, движущегося параллельно (или антипараллельно) свету.

Ожидалось, что существует одна абсолютная система отсчета — светоносный эфир , в которой уравнения Максвелла сохраняются в неизменном виде в известной форме.

Эксперимент Майкельсона–Морли не смог обнаружить никакой разницы в относительной скорости света из-за движения Земли относительно светоносного эфира, что говорит о том, что уравнения Максвелла на самом деле справедливы во всех системах отсчета. В 1875 году Хендрик Лоренц (1853–1928) открыл преобразования Лоренца , которые оставили уравнения Максвелла неизменными, что позволило объяснить отрицательный результат Майкельсона и Морли. Анри Пуанкаре (1854–1912) отметил важность преобразования Лоренца и популяризировал его. В частности, описание железнодорожного вагона можно найти в Science and Hypothesis , ^[27] , которая была опубликована до статей Эйнштейна 1905 года.

Преобразование Лоренца предсказывало сокращение пространства и замедление времени ; до 1905 года первое интерпретировалось как физическое сокращение объектов, движущихся относительно эфира, из-за изменения межмолекулярных сил (электрической природы), в то время как второе считалось просто математическим условием. ^{[ необходима цитата ]}

Релятивистская физика: пространство-время

Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна 1905 года бросила вызов понятию абсолютного времени и смогла сформулировать определение синхронизации только для часов, которые отмечают линейный поток времени:

Если в точке A пространства находятся часы, то наблюдатель в A может определить значения времени событий в непосредственной близости от A, найдя положения стрелок, которые являются одновременными с этими событиями. Если в точке B пространства находятся другие часы, во всех отношениях похожие на часы в A, то наблюдатель в B может определить значения времени событий в непосредственной близости от B.

Но невозможно без дополнительных предположений сравнивать по времени событие в точке А с событием в точке В. До сих пор мы определили только «время А» и «время В».

Мы не определили общее «время» для A и B, поскольку последнее вообще невозможно определить, если мы не установим по определению , что «время», необходимое свету для прохождения от A до B, равно «времени», необходимому для прохождения от B до A. Пусть луч света исходит в «время A» t _A из A в направлении B , пусть он в «время B» t _B отражается в B в направлении A и снова прибывает в A в «время A» t ′ _A.

В соответствии с определением двое часов синхронизируются, если

${\displaystyle t_{\text{B}}-t_{\text{A}}=t'_{\text{A}}-t_{\text{B}}{\text{.}}\,\!}$

Мы предполагаем, что это определение синхронизма свободно от противоречий и возможно для любого числа точек; и что следующие соотношения являются универсально верными:

1. Если часы в точке B синхронизируются с часами в точке A, то часы в точке A синхронизируются с часами в точке B.
2. Если часы в точке A синхронизируются с часами в точке B, а также с часами в точке C, то часы в точках B и C также синхронизируются друг с другом.

—  Альберт Эйнштейн, «К электродинамике движущихся тел» ^[28]

Эйнштейн показал, что если скорость света не меняется между системами отсчета, то пространство и время должны быть такими, чтобы движущийся наблюдатель измерял ту же скорость света, что и неподвижный, поскольку скорость определяется пространством и временем:

${\displaystyle \mathbf {v} ={d\mathbf {r} \over dt}{\text{,}}}$где r — положение, а t — время.

Действительно, преобразование Лоренца (для двух систем отсчета, находящихся в относительном движении, ось x которых направлена ​​в направлении относительной скорости)

${\displaystyle {\begin{cases}t'&=\gamma (t-vx/c^{2}){\text{ where }}\gamma =1/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}\\x'&=\gamma (x-vt)\\y'&=y\\z'&=z\end{cases}}}$

можно сказать, что он «смешивает» пространство и время подобно тому, как евклидово вращение вокруг оси z смешивает координаты x и y . Следствия этого включают относительность одновременности .

Событие B происходит одновременно с событием A в зеленой системе отсчета, но оно произошло раньше в синей системе отсчета и произойдет позже в красной системе отсчета.

Более конкретно, преобразование Лоренца представляет собой гиперболическое вращение

${\displaystyle {\begin{pmatrix}ct'\\x'\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cosh \phi &-\sinh \phi \\-\sinh \phi &\cosh \phi \end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}ct\\x\end{pmatrix}}{\text{ where }}\phi =\operatorname {artanh} \,{\frac {v}{c}}{\text{,}}}$

что является изменением координат в четырехмерном пространстве Минковского , размерность которого равна ct . (В евклидовом пространстве обычное вращение

${\displaystyle {\begin{pmatrix}x'\\y'\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cos \theta &-\sin \theta \\\sin \theta &\cos \theta \end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}}}$

(соответствующее изменение координат.) Скорость света c можно рассматривать как просто коэффициент преобразования, необходимый, поскольку мы измеряем измерения пространства-времени в разных единицах; поскольку метр в настоящее время определяется через секунду, он имеет точное значение 299 792 458 м/с . Нам понадобится аналогичный коэффициент в евклидовом пространстве, если, например, мы измеряем ширину в морских милях, а глубину в футах. В физике иногда для упрощения уравнений используются единицы измерения, в которых c = 1 .

Время в «движущейся» системе отсчета течет медленнее, чем в «неподвижной», согласно следующему соотношению (которое можно вывести с помощью преобразования Лоренца, положив ∆ x ′ = 0, ∆ τ = ∆ t ′):

${\displaystyle \Delta t={{\Delta \tau } \over {\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}$

где:

• ${\displaystyle \Delta \tau }$время между двумя событиями, измеренное в движущейся системе отсчета, в которой они происходят в одном и том же месте (например, два тиканья движущихся часов); оно называется собственным временем между двумя событиями;
• ${\displaystyle \Delta }$t — время между этими двумя событиями, но измеренное в неподвижной системе отсчета;
• v — скорость движущейся системы отсчета относительно неподвижной;
• с — скорость света .

Поэтому говорят, что движущиеся объекты показывают более медленный ход времени . Это известно как замедление времени .

Эти преобразования справедливы только для двух систем с постоянной относительной скоростью. Наивное применение их к другим ситуациям приводит к таким парадоксам , как парадокс близнецов .

Этот парадокс можно разрешить, используя, например, Общую теорию относительности Эйнштейна , которая использует риманову геометрию , геометрию в ускоренных, неинерциальных системах отсчета. Используя метрический тензор , который описывает пространство Минковского :

${\displaystyle \left[(dx^{1})^{2}+(dx^{2})^{2}+(dx^{3})^{2}-c(dt)^{2})\right],}$

Эйнштейн разработал геометрическое решение преобразования Лоренца, которое сохраняет уравнения Максвелла . Его уравнения поля дают точную связь между измерениями пространства и времени в заданной области пространства-времени и плотностью энергии этой области.

Уравнения Эйнштейна предсказывают, что время должно изменяться под действием гравитационных полей (см. метрику Шварцшильда ):

${\displaystyle T={\frac {dt}{\sqrt {\left(1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}\right)dt^{2}-{\frac {1}{c^{2}}}\left(1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}\right)^{-1}dr^{2}-{\frac {r^{2}}{c^{2}}}d\theta ^{2}-{\frac {r^{2}}{c^{2}}}\sin ^{2}\theta \;d\phi ^{2}}}}}$

где:

• ${\displaystyle T}$— это гравитационное замедление времени объекта на расстоянии . ${\displaystyle r}$
• ${\displaystyle dt}$— это изменение координатного времени или интервал координатного времени.
• ${\displaystyle G}$гравитационная постоянная
• ${\displaystyle M}$это масса, создающая поле
• ${\displaystyle {\sqrt {\left(1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}\right)dt^{2}-{\frac {1}{c^{2}}}\left(1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}\right)^{-1}dr^{2}-{\frac {r^{2}}{c^{2}}}d\theta ^{2}-{\frac {r^{2}}{c^{2}}}\sin ^{2}\theta \;d\phi ^{2}}}}$это изменение собственного времени или интервал собственного времени . ${\displaystyle d\tau }$

Или можно использовать следующее более простое приближение:

${\displaystyle {\frac {dt}{d\tau }}={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {2GM}{rc^{2}}}\right)}}}.}$

То есть, чем сильнее гравитационное поле (и, следовательно, больше ускорение ), тем медленнее идет время. Предсказания о замедлении времени подтверждаются экспериментами по ускорению частиц и свидетельствами космических лучей , где движущиеся частицы распадаются медленнее, чем их менее энергичные аналоги. Гравитационное замедление времени приводит к явлению гравитационного красного смещения и задержке времени прохождения сигнала Шапиро вблизи массивных объектов, таких как Солнце. Глобальная система позиционирования также должна корректировать сигналы, чтобы учесть этот эффект.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, свободно движущаяся частица прослеживает историю в пространстве-времени, которая максимизирует ее собственное время. Это явление также называется принципом максимального старения и было описано Тейлором и Уилером как: ^[29]

«Принцип экстремального старения: путь, пройденный свободным объектом между двумя событиями в пространстве-времени, — это путь, для которого промежуток времени между этими событиями, зафиксированный на наручных часах объекта, является экстремумом».

Теория Эйнштейна была мотивирована предположением, что каждая точка во вселенной может рассматриваться как «центр», и что соответственно физика должна действовать одинаково во всех системах отсчета. Его простая и элегантная теория показывает, что время относительно инерциальной системы отсчета . В инерциальной системе отсчета выполняется первый закон Ньютона ; она имеет свою собственную локальную геометрию и, следовательно, свои собственные измерения пространства и времени; не существует «универсальных часов » . Акт синхронизации должен быть выполнен, по крайней мере, между двумя системами.

Время в квантовой механике

В уравнениях квантовой механики есть параметр времени . Уравнение Шредингера ^[30] имеет вид

${\displaystyle H(t)\left|\psi (t)\right\rangle =i\hbar {\partial \over \partial t}\left|\psi (t)\right\rangle }$

Одним из решений может быть

${\displaystyle |\psi _{e}(t)\rangle =e^{-iHt/\hbar }|\psi _{e}(0)\rangle }$.

где называется оператором эволюции во времени , а H — гамильтониан . ${\displaystyle e^{-iHt/\hbar }}$

Но картина Шредингера , показанная выше, эквивалентна картине Гейзенберга , которая имеет сходство со скобками Пуассона классической механики. Скобки Пуассона заменяются ненулевым коммутатором , скажем, [ H , A ] для наблюдаемого A , и гамильтонианом H:

${\displaystyle {\frac {d}{dt}}A=(i\hbar )^{-1}[A,H]+\left({\frac {\partial A}{\partial t}}\right)_{\mathrm {classical} }.}$

Это уравнение обозначает соотношение неопределенности в квантовой физике. Например, со временем (наблюдаемая величина A ) энергия E (из гамильтониана H ) дает:

${\displaystyle \Delta E\Delta T\geq {\frac {\hbar }{2}}}$

где

• ${\displaystyle \Delta E}$это неопределенность в энергии
• ${\displaystyle \Delta T}$это неопределенность во времени
• ${\displaystyle \hbar }$постоянная Планка

Чем точнее измеряется длительность последовательности событий , тем менее точно можно измерить энергию, связанную с этой последовательностью, и наоборот. Это уравнение отличается от стандартного принципа неопределенности, поскольку время не является оператором в квантовой механике.

Соответствующие коммутаторные соотношения справедливы также для импульса p и положения q , которые являются сопряженными переменными друг другу, вместе с соответствующим принципом неопределенности относительно импульса и положения, аналогичным приведенному выше соотношению энергии и времени.

Квантовая механика объясняет свойства периодической таблицы элементов . Начиная с эксперимента Отто Штерна и Вальтера Герлаха с молекулярными пучками в магнитном поле, Исидор Раби (1898–1988) смог модулировать магнитный резонанс пучка. В 1945 году Раби предложил положить эту технику в основу часов ^[31], использующих резонансную частоту атомного пучка. В 2021 году Джун Йе из JILA в Боулдере, штат Колорадо, наблюдал замедление времени в разнице в скорости хода оптических решетчатых часов в верхней части облака атомов стронция, чем в нижней части этого облака, столбе высотой один миллиметр, под действием гравитации. ^[32]

Динамические системы

Можно сказать, что время — это параметризация динамической системы , которая позволяет проявлять и эксплуатировать геометрию системы. Утверждалось, что время — это неявное следствие хаоса (т. е. нелинейности / необратимости ): характерное время или скорость производства информационной энтропии системы . Мандельброт вводит собственное время в своей книге « Мультифракталы и шум 1/f» .

Кристаллы времени

Хемани, Месснер и Сонди определяют кристалл времени как «стабильные, консервативные, макроскопические часы». ^{[33] : 7}

Сигнализация

Сигнализация — это одно из применений электромагнитных волн, описанных выше. В общем, сигнал является частью коммуникации между сторонами и местами. Одним из примеров может быть желтая лента, привязанная к дереву, или звон церковного колокола . Сигнал может быть частью разговора , который включает протокол . Другим сигналом может быть положение часовой стрелки на городских часах или железнодорожной станции. Заинтересованная сторона может захотеть посмотреть на эти часы, чтобы узнать время. См.: Шар времени , ранняя форма сигнала времени .

Эволюция мировой линии ускоренной массивной частицы. Эта мировая линия ограничена времениподобными верхней и нижней секциями этой пространственно-временной фигуры; эта мировая линия не может пересекать верхний ( будущий ) или нижний ( прошлый ) световой конус . Левая и правая секции (которые находятся вне световых конусов) являются пространственноподобными .

Мы как наблюдатели все еще можем подавать сигналы различным сторонам и местам, пока мы живем в пределах их светового конуса прошлого . Но мы не можем получать сигналы от тех сторон и мест за пределами нашего светового конуса прошлого .

Вместе с формулировкой уравнений электромагнитной волны могла быть основана область телекоммуникации .

В телеграфии 19 века электрические цепи , некоторые из которых охватывали континенты и океаны , могли передавать коды — простые точки, тире и пробелы. Из этого возник ряд технических проблем; см. Категория :Синхронизация . Но можно с уверенностью сказать, что наши системы сигнализации могут быть синхронизированы только приблизительно , плезиохронное состояние, из которого необходимо исключить джиттер .

При этом системы могут быть синхронизированы (в инженерном приближении) с использованием таких технологий, как GPS . Спутники GPS должны учитывать эффекты гравитации и других релятивистских факторов в своих схемах. См.: Самосинхронизирующийся сигнал .

Технологии для стандартов хронометража

Основным стандартом времени в США в настоящее время является NIST-F1 , охлаждаемый лазером Cs- фонтан, ^[34] последний в серии стандартов времени и частоты, от атомных часов на основе аммиака (1949) до NBS-1 на основе цезия (1952) и NIST-7 (1993). Соответствующая погрешность часов снизилась с 10 000 наносекунд в день до 0,5 наносекунд в день за 5 десятилетий. ^[35] В 2001 году погрешность часов для NIST-F1 составляла 0,1 наносекунды/день. Ведется разработка все более точных стандартов частоты.

В этом стандарте времени и частоты популяция атомов цезия охлаждается лазером до температуры одного микрокельвина . Атомы собираются в шар, сформированный шестью лазерами, по два для каждого пространственного измерения, вертикального (вверх/вниз), горизонтального (влево/вправо) и вперед/назад. Вертикальные лазеры проталкивают шар цезия через микроволновую полость. По мере охлаждения шара популяция цезия охлаждается до своего основного состояния и излучает свет на своей собственной частоте, указанной в определении секунды выше. В излучении от популяции цезия учитываются одиннадцать физических эффектов, которые затем контролируются в часах NIST-F1. Эти результаты сообщаются в BIPM .

Кроме того, эталонный водородный мазер также представлен в BIPM в качестве стандарта частоты для TAI ( международного атомного времени ).

Измерение времени контролируется BIPM ( Международным бюро мер и весов ), расположенным в Севре , Франция, которое обеспечивает единообразие измерений и их прослеживаемость к Международной системе единиц ( СИ ) во всем мире. BIPM действует в соответствии с Метрической конвенцией , дипломатическим договором между пятьюдесятью одной страной, государствами-членами Конвенции, через ряд консультативных комитетов, членами которых являются соответствующие национальные метрологические лаборатории.

Время в космологии

Уравнения общей теории относительности предсказывают нестатическую вселенную. Однако Эйнштейн принял только статическую вселенную и изменил уравнение поля Эйнштейна, чтобы отразить это, добавив космологическую постоянную , которую он позже назвал своей «самой большой ошибкой». Но в 1927 году Жорж Леметр (1894–1966) на основе общей теории относительности утверждал , что вселенная возникла в результате первичного взрыва. На пятой Сольвеевской конференции в том же году Эйнштейн отмахнулся от него, сказав « Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable. » ^[36] («Ваша математика верна, но ваша физика отвратительна»). В 1929 году Эдвин Хаббл (1889–1953) объявил о своем открытии расширяющейся Вселенной . Современная общепринятая космологическая модель, модель Лямбда-CDM , имеет положительную космологическую постоянную и, таким образом, не просто расширяющуюся Вселенную, а ускоряющуюся вселенную.

Если Вселенная расширялась, то она должна была быть намного меньше и, следовательно, горячее и плотнее в прошлом. Георгий Гамов (1904–1968) выдвинул гипотезу, что обилие элементов в Периодической таблице элементов может быть объяснено ядерными реакциями в горячей плотной Вселенной. Его оспаривал Фред Хойл (1915–2001), который придумал термин « Большой взрыв », чтобы унизить его. Ферми и другие отметили, что этот процесс остановился бы после того, как были созданы только легкие элементы, и, таким образом, не объяснили бы обилие более тяжелых элементов.

Колебания космического микроволнового фонового излучения WMAP ^[37]

Предсказание Гамова было равно 5–10 кельвинам температуры излучения черного тела для Вселенной после ее охлаждения во время расширения. Это было подтверждено Пензиасом и Уилсоном в 1965 году. Последующие эксперименты дали температуру 2,7 кельвина, что соответствует возрасту Вселенной в 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва.

Этот драматический результат поднял вопросы: что произошло между сингулярностью Большого взрыва и временем Планка, которое, в конце концов, является наименьшим наблюдаемым временем. Когда время могло бы отделиться от пены пространства-времени ; ^[38] есть только намеки, основанные на нарушенных симметриях (см. Спонтанное нарушение симметрии , Хронология Большого взрыва и статьи в категории: Физическая космология ).

Общая теория относительности дала нам современное представление о расширяющейся Вселенной, которая началась в Большом взрыве. Используя теорию относительности и квантовую теорию, мы смогли приблизительно реконструировать историю Вселенной. В нашу эпоху , в течение которой электромагнитные волны могут распространяться, не будучи возмущенными проводниками или зарядами, мы можем видеть звезды на больших расстояниях от нас в ночном небе. (До этой эпохи было время, прежде чем Вселенная остыла достаточно для того, чтобы электроны и ядра объединились в атомы примерно через 377 000 лет после Большого взрыва , в течение которого звездный свет не был виден на больших расстояниях.)

Реприза

Реприза Ильи Пригожина - " Время предшествует существованию " . В отличие от взглядов Ньютона, Эйнштейна и квантовой физики, которые предлагают симметричный взгляд на время (как обсуждалось выше), Пригожин указывает, что статистическая и термодинамическая физика могут объяснить необратимые явления , ^[39] а также стрелу времени и Большой взрыв .

Смотрите также

• Релятивистская динамика
• Категория:системы единиц
• Время в астрономии

Ссылки

1. Консидайн, Дуглас М.; Консидайн, Гленн Д. (1985). Справочник по приборам и средствам управления процессами (3-е изд.). McGraw-Hill. С. 18–61. ISBN 0-07-012436-1.
2. Например, Галилей измерил период простого гармонического осциллятора с помощью своего импульса .
3. Otto Neugebauer Точные науки в античности . Принстон: Princeton University Press, 1952; 2-е издание, Brown University Press, 1957; переиздание, Нью-Йорк: Dover Publications, 1969. Страница 82.
4. См., например, Уильяма Шекспира «Гамлет »: «... будь верен себе самому, / И это должно последовать, как ночь следует за днём, / Ты не сможешь быть лживым ни к кому».
5. "Heliacal/Dawn Risings". Solar-center.stanford.edu . Получено 2012-08-17 .
6. Фермеры использовали солнце для отсчета времени на протяжении тысяч лет, как самый древний способ определения времени. Архивировано 2010-07-26 в Wayback Machine
7. Эратосфен, «О измерении Земли», вычислил длину окружности Земли, основываясь на измерении длины тени, отбрасываемой гномоном в двух разных местах в Египте, с погрешностью от -2,4% до +0,8%.
8. Фред Хойл (1962), Астрономия: история исследования человеком вселенной , Crescent Books, Inc., London LC 62-14108, стр. 31
9. Месопотамские (современный Ирак) астрономы записывали астрономические наблюдения невооруженным глазом более 3500 лет назад. П. У. Бриджмен сформулировал свое рабочее определение в двадцатом веке.
10. Астрономия, наблюдаемая невооруженным глазом, устарела в 1609 году из-за наблюдений Галилея с помощью телескопа. Галилео Галилей Линчео, Sidereus Nuncius ( Звездный вестник ), 1610.
11. http://tycho.usno.navy.mil/gpstt.html http://www.phys.lsu.edu/mog/mog9/node9.html Архивировано 13 июля 2010 г. на Wayback Machine Сегодня автоматизированные астрономические наблюдения со спутников и космических аппаратов требуют релятивистских поправок сообщаемых положений.
12. "Единица времени (секунда)". Брошюра СИ . Международное бюро мер и весов (BIPM). стр. Раздел 2.1.1.3 . Получено 2008-06-08 .
13. SR Jefferts et al., «Оценка точности NIST-F1».
14. Фред Адамс и Грег Лафлин (1999), Пять веков Вселенной ISBN 0-684-86576-9 стр.35. 
15. Чарльз Хоуз и Уильям Макдугалл (1912) Языческие племена Борнео , пластина 60. Кенийцы измеряют длину тени в полдень, чтобы определить время посева PADI, стр. 108. Эта фотография воспроизведена как пластина B в книге Фреда Хойла (1962), Астрономия: история исследования человеком вселенной , Crescent Books, Inc., London LC 62-14108, стр. 31. Процесс измерения объясняется: Джином Аммареллом (1997), «Астрономия на индо-малайском архипелаге», стр. 119, Энциклопедия истории науки, технологий и медицины в незападных культурах , под ред. Хелейн Селин , где описывается, как племена Кенийцев Борнео измеряют тень, отбрасываемую гномоном, или тукар до, с помощью измерительной шкалы, или асо до .
16. Норт, Дж. (2004) Часовщик Божий: Ричард из Уоллингфорда и изобретение времени . Oxbow Books. ISBN 1-85285-451-0 
17. Уотсон, Э. (1979) «Часы Ричарда Уоллингфорда из Сент-Олбанса». Antiquarian Horology 372-384.
18. Джо Эллен Барнетт, ISBN маятника времени 0-306-45787-3 стр.99. 
19. Галилей 1638 Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno á due nuoue scienze 213 , Лейда, Appresso gli Elsevirii (Louis Elsevier), или Математические рассуждения и демонстрации, касающиеся двух новых наук , английский перевод Генри Крю и Альфонсо де Сальвио 1914. Раздел 213 перепечатан на страницах 534-535 книги On the Shoulders of Giants : The Great Works of Physics and Astronomy (works by Copernicus , Kepler , Galileo , Newton , and Einstein ). Стивен Хокинг , ред. 2002 ISBN 0-7624-1348-4 
20. Ньютон 1687 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , Londini, Jussu Societatis Regiae ac Typis J. Streater, или Математические начала натуральной философии , Лондон , английский перевод Эндрю Мотта 1700-е гг. Из части Scholium, перепечатанной на странице 737 On the Shoulders of Giants : The Great Works of Physics and Astronomy (works by Copernicus , Kepler , Galileo , Newton , and Einstein ). Стивен Хокинг , ред. 2002 ISBN 0-7624-1348-4 
21. Ньютон 1687 стр. 738.
22. С. 182–195. Стивен Хокинг 1996. Иллюстрированная краткая история времени : обновленное и расширенное издание ISBN 0-553-10374-1 
23. Эрвин Шредингер (1945) Что такое жизнь?
24. Г. Николис и И. Пригожин (1989), Исследование сложности
25. Р. Капрал и К. Шоуолтер, ред. (1995), Химические волны и паттерны
26. Илья Пригожин (1996) Конец определенности стр. 63–71
27. Анри Пуанкаре, (1902). Наука и гипотеза Eprint Архивировано 2006-10-04 в Wayback Machine
28. Einstein 1905, Zur Elektrodynamik bewegter Körper [Об электродинамике движущихся тел] перепечатано в 1922 году в Das Relativätsprinzip , BG Teubner, Leipzig. Принципы относительности : Сборник оригинальных статей по специальной теории относительности , HA Lorentz, A. Einstein, H. Minkowski, и WH Weyl, является частью Fortschritte der mathematischen Wissenschaften in Monographien, Heft 2 . Английский перевод выполнен W. Perrett и GB Jeffrey, перепечатан на странице 1169 On the Shoulders of Giants : The Great Works of Physics and Astronomy (works by Copernicus , Kepler , Galileo , Newton , and Einstein ). Stephen Hawking , ed. 2002 ISBN 0-7624-1348-4 
29. Тейлор (2000). «Исследование черных дыр: Введение в общую теорию относительности» (PDF) . Эддисон Уэсли Лонгман.
30. Шредингер, Э. (1 ноября 1926 г.). «Волновая теория механики атомов и молекул». Physical Review . 28 (6). Американское физическое общество (APS): 1049–1070. Bibcode : 1926PhRv...28.1049S. doi : 10.1103/physrev.28.1049. ISSN  0031-899X.
31. Краткая история атомных часов в NIST. Архивировано 14 февраля 2009 г. на Wayback Machine.
32. Slashdot (25 октября 2021 г.) Сверхточные часы показывают, как связать квантовый мир с гравитацией. Работа Джун Йе в JILA
33. Ведика Кхемани, Родерих Месснер и С.Л. Сондхи (23 октября 2019 г.) Краткая история кристаллов времени
34. DM Meekhof, SR Jefferts, M. Stepanovic и TE Parker (2001) «Оценка точности первичного стандарта частоты с цезиевым фонтаном в NIST», IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement . 50 , № 2, (апрель 2001 г.) стр. 507-509
35. Джеймс Йесперсен и Джейн Фиц-Рэндольф (1999). От солнечных часов до атомных: понимание времени и частоты . Вашингтон, округ Колумбия: Министерство торговли США, Управление технологий, Национальный институт стандартов и технологий. 308 стр.: илл.; 28 см. ISBN 0-16-050010-9 
36. Джон К. Мазер и Джон Бослоу (1996), The Very First Light ISBN 0-465-01575-1 стр. 41. 
37. Джордж Смут и Кей Дэвидсон (1993) Морщины во времени ISBN 0-688-12330-9 Мемуары экспериментальной программы по обнаружению предсказанных флуктуаций в космическом микроволновом фоновом излучении . 
38. Мартин Риз (1997), Перед началом ISBN 0-201-15142-1 стр. 210. 
39. Пригожин, Илья (1996), Конец определенности: время, хаос и новые законы природы . ISBN 0-684-83705-6 На страницах 163 и 182. 

Дальнейшее чтение

• Бурштейн, Дэниел Дж., Первооткрыватели . Винтаж. 12 февраля 1985 г. ISBN 0-394-72625-1 
• Дитер Це, Х. Физическая основа направления времени . Springer. ISBN 978-3-540-42081-1 
• Кун, Томас С. , Структура научных революций . ISBN 0-226-45808-3 
• Мандельброт, Бенуа , Мультифракталы и шум 1/f . Springer Verlag. Февраль 1999. ISBN 0-387-98539-5 
• Пригожин, Илья (1984), Порядок из Хаоса . ISBN 0-394-54204-5 
• Серрес, Мишель и др., « Беседы о науке, культуре и времени (Исследования по литературе и науке) ». Март 1995 г. ISBN 0-472-06548-3 
• Стенгерс, Изабель и Илья Пригожин, Теория за пределами границ . Издательство Миннесотского университета. Ноябрь 1997 г. ISBN 0-8166-2517-4 

Внешние ссылки

• Медиа, связанные со временем в физике на Wikimedia Commons