Время в физике

Фундаментальная величина в физике

Маятник Фуко в Парижском Пантеоне 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 комбинировать с другими физическими величинами для получения других понятий, таких как движение , кинетическая энергия и поля , зависящие от времени . Хронометраж представляет собой комплекс технологических и научных вопросов и является частью основы ведения учета . ${\displaystyle t}$

Маркеры времени

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

• первое появление (см.: гелиакический восход ) Сириуса в ознаменование ежегодного разлива Нила ^[3]
• периодическая смена ночи и дня , кажущаяся вечной ^[4]
• положение на горизонте при первом появлении солнца на рассвете ^[5]
• положение солнца на небе ^[6]
• отметка момента полудня в течение суток ^[7]
• длина тени, отбрасываемой гномоном [ ^8]

В конце концов, ^{[9] [10]} стало возможным охарактеризовать ход времени с помощью приборов, используя операционные определения . Одновременно с этим развивалась наша концепция времени, как показано ниже. ^[11]

Единица измерения времени: секунда

В Международной системе единиц (СИ) единицей времени является секунда ( символ: ). Это базовая единица СИ , которая с 1967 года определяется как «продолжительность 9 192 631 770 [циклов] излучения , соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133». ^[12] Это определение основано на работе цезиевых атомных часов . Эти часы стали практичными для использования в качестве основных эталонов примерно после 1955 года и с тех пор используются. ${\displaystyle \mathrm {s} }$

Современное состояние хронометража

Временная метка UTC , используемая во всем мире, представляет собой атомный стандарт времени. Относительная точность такого стандарта времени в настоящее время составляет порядка 10–15 ^{[ 13]} (что соответствует 1 секунде примерно за 30 миллионов лет). Наименьший временной шаг, который считается теоретически наблюдаемым, называется планковским временем и составляет примерно 5,391×10 ^-44 секунды, что на много порядков ниже разрешения текущих стандартов времени.

Атомные часы на основе цезия стали практичными после 1950 года, когда достижения электроники позволили надежно измерить генерируемые ими микроволновые частоты. По мере дальнейшего прогресса исследования атомных часов продвигались к все более высоким частотам, которые могут обеспечить более высокую точность и точность. Часы, основанные на этих методах, были разработаны, но еще не используются в качестве основных эталонов.

Представления о времени

Галактика Андромеды ( M31 ) находится от нас в двух миллионах световых лет . Таким образом, мы видим свет M31, произошедший два миллиона лет назад, ^[14] во времена, когда на Земле еще не существовало людей .

Галилей , Ньютон и большинство людей вплоть до 20 века думали, что время везде одинаково для всех. Это основа временных рамок , где время является параметром . Современное понимание времени основано на теории относительности Эйнштейна , в которой скорость времени течет по-разному в зависимости от относительного движения, а пространство и время сливаются в пространство-время , где мы живем на мировой линии , а не на временной шкале. В этом представлении время является координатой . Согласно преобладающей космологической модели теории Большого взрыва , само время началось как часть всей Вселенной около 13,8 миллиардов лет назад.

Закономерности в природе

Чтобы измерить время, можно записать количество появлений (событий) какого-либо периодического явления . Регулярная повторяемость времен года , движение Солнца , Луны и звезд были отмечены и занесены в таблицы на протяжении тысячелетий, прежде чем были сформулированы законы физики . Солнце было арбитром течения времени, но на протяжении тысячелетий время было известно только с точностью до часа , следовательно, использование гномона было известно в большей части мира, особенно в Евразии , и, по крайней мере, так далеко на юге, как джунгли Юго-Восточная Азия . ^[15]

В частности, астрономические обсерватории, созданные для религиозных целей, стали достаточно точными, чтобы установить регулярное движение звезд и даже некоторых планет.

Сначала хронометраж велся вручную жрецами, а затем и в коммерческих целях, когда сторожа отмечали время как часть своих обязанностей. Таблицы равноденствий , песочных и водяных часов становились все более точными и, наконец, надежными. Для кораблей в море использовались морские песочные часы . Эти устройства позволяли морякам узнавать часы и рассчитывать скорость плавания.

Механические часы

Ричард Уоллингфорд (1292–1336), аббат аббатства Сент-Олбанс, около 1330 года построил знаменитые механические часы как астрономическую планету ^{. [16] [17]}

Ко времени Ричарда Уоллингфорда использование храповых механизмов и шестерен позволило городам Европы создать механизмы для отображения времени на городских часах; ко времени научной революции часы стали достаточно миниатюрными, чтобы семьи могли пользоваться личными часами или, возможно, карманными часами. Поначалу их могли себе позволить только короли. Маятниковые часы широко использовались в 18 и 19 веках. В большинстве случаев они были заменены кварцевыми и цифровыми часами . Атомные часы теоретически могут показывать точное время в течение миллионов лет. Они подходят для стандартов и научного использования.

Галилей: течение времени

В 1583 году Галилео Галилей (1564–1642) обнаружил, что гармоническое движение маятника имеет постоянный период, который он узнал, синхронизируя движение качающейся лампы в гармоническом движении во время мессы в Пизанском соборе со своим пульсом . ^[18]

В своих «Двух новых науках» (1638 г.) Галилей использовал водяные часы для измерения времени, за которое бронзовый шар катится на известное расстояние по наклонной плоскости ; эти часы были: ^[19]

...большой сосуд с водой, поставленный на возвышенность; 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 на части его длины; собранную таким образом воду после каждого спуска взвешивали на очень точных весах; разности и отношения этих весов дали нам разности и отношения времен, причем с такой точностью, что хотя операцию повторяли много-много раз, заметного расхождения в результатах не было.

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

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

Физика Ньютона: линейное время

Примерно в 1665 году, когда Исаак Ньютон (1643–1727) вывел движение объектов, падающих под действием силы тяжести , появилась первая четкая формулировка математической физики , рассматривающая время: линейное время, понимаемое как универсальные часы .

Абсолютное, истинное и математическое время само по себе и по своей собственной природе течет равномерно, не обращая внимания ни на что внешнее, и называется под другим именем длительностью: относительное, кажущееся и общее время есть некое чувственное и внешнее (как точное, так и неравномерное) время. ) мера длительности посредством движения, которую обычно используют вместо истинного времени; например, час, день, месяц, год. ^[21]

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

В этом разделе перечисленные ниже соотношения рассматривают время как параметр, который служит показателем поведения рассматриваемой физической системы. Поскольку тезисы Ньютона рассматривают линейный поток времени (то, что он называл математическим временем ), время можно рассматривать как линейно изменяющийся параметр, абстракцию хода часов на циферблате часов. Календари и корабельные журналы затем можно было бы сопоставить с ходом часов, дней, месяцев, лет и столетий.

Термодинамика и парадокс необратимости

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

• 1-й закон термодинамики

В 1824 году Сади Карно (1796–1832) провел научный анализ парового двигателя 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 двигателю Карно в:

• 2-й закон термодинамики

Таким образом, непрерывное движение термодинамической системы от меньшей энтропии к большей при любой данной 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 – отличается расширением Вселенной.

В изолированной термодинамической системе со временем энтропия возрастает. Напротив, Эрвин Шрёдингер (1887–1961) отмечал, что жизнь зависит от «потока отрицательной энтропии» . ^[23] Илья Пригожин (1917–2003) утверждал, что другие термодинамические системы, которые, как и жизнь, также далеки от равновесия, также могут демонстрировать устойчивые пространственно-временные структуры, напоминающие жизнь. Вскоре после этого были опубликованы реакции Белоусова-Жаботинского ^[24] , демонстрирующие осциллирующие цвета в химическом растворе. ^[25] Эти неравновесные термодинамические ветви достигают точки бифуркации , которая является нестабильной, и вместо нее устойчивой становится другая термодинамическая ветвь. ^[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 электромагнетизма Максвелла ; они допускают решения в виде электромагнитных волн и распространяются с фиксированной скоростью c независимо от скорости породившего их электрического заряда.

Тот факт, что свет, согласно предсказаниям, всегда движется со скоростью c, был бы несовместим с теорией относительности Галилея, если бы предполагалось, что уравнения Максвелла выполняются в любой инерциальной системе отсчета (системе отсчета с постоянной скоростью), поскольку преобразования Галилея предсказывают, что скорость будет уменьшаться (или увеличиваться). в системе отсчета наблюдателя, движущегося параллельно (или антипараллельно) свету.

Ожидалось, что существует одна абсолютная система отсчета — система светоносного эфира , в которой уравнения Максвелла сохраняют неизменённую известную форму.

Эксперимент Майкельсона-Морли не смог обнаружить никакой разницы в относительной скорости света из-за движения Земли относительно светоносного эфира, что позволяет предположить, что уравнения Максвелла действительно 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 вагона можно найти в книге «Наука и гипотеза» , ^[27] , опубликованной до статей Эйнштейна 1905 года.

Преобразование Лоренца предсказало сжатие пространства и замедление времени ; до 1905 года первое интерпретировалось как физическое сжатие объектов, движущихся относительно эфира, вследствие изменения межмолекулярных сил (электрической природы), а второе считалось всего лишь математическим условием. ^{[ нужна цитата ]}

Физика Эйнштейна: пространство-время

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

Если в точке А пространства есть часы, то наблюдатель в А может определить временные значения событий в непосредственной близости от А, найдя положения стрелок, одновременные с этими событиями. Если в точке В пространства имеются другие часы, во всех отношениях напоминающие часы в А, то наблюдатель в В имеет возможность определять временные значения событий в непосредственной близости от В.

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

Мы не определили общее «время» для A и B, поскольку последнее вообще не может быть определено, пока мы не установим по определению , что «время», необходимое свету для перемещения от A до B, равно «времени», которое ему требуется для перемещения. из B в A. Пусть луч света стартует в момент «A» t _A из A в сторону B, пусть он в момент «B» t _B отражается в B в направлении A и снова достигает A в «Время» t ′ _A .

В соответствии с определением два часа 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 универсальны:

1. Если часы в B синхронизируются с часами в A, часы в A синхронизируются с часами в B.
2. Если часы в A синхронизируются с часами в B, а также с часами в C, то часы в 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, 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 сторону 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 оно «смешивает» пространство и время аналогично тому, как евклидово вращение вокруг оси z смешивает координаты x и y . Следствием этого является относительность одновременности .

Событие B происходит одновременно с событием A в зеленом кадре, но оно произошло раньше в синем кадре и произойдет позже в красном кадре.

Более конкретно, преобразование Лоренца — это гиперболическое вращение , которое представляет собой замену координат в четырехмерном пространстве Минковского , размерность которого равна ct . (В евклидовом пространстве обычное вращение представляет собой соответствующее изменение координат.) Скорость света c можно рассматривать просто как коэффициент преобразования, необходимый, поскольку мы измеряем размеры пространства-времени в разных единицах; поскольку метр в настоящее время определяется в секундах, его точное значение составляет 299 792 458 м/с . Аналогичный коэффициент нам понадобился бы и в евклидовом пространстве, если бы, например, мы измеряли ширину в морских милях, а глубину в футах. В физике иногда для упрощения уравнений используются единицы измерения, в которых c = 1 . ${\displaystyle {\begin{pmatrix}ct'\\x'\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cosh \phi &-\sinh \phi \\-\sinh \phi &\cosh \phi \end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}ct\\x\end{pmatrix}}{\text{ where }}\phi =\operatorname {artanh} \,{\frac {v}{c}}{\text{,}}}$ ${\displaystyle {\begin{pmatrix}x'\\y'\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cos \theta &-\sin \theta \\\sin \theta &\cos \theta \end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}}}$

Показано, что время в «движущейся» системе отсчета течет медленнее, чем в «стационарной» с помощью следующего соотношения (которое можно получить с помощью преобразования Лоренца, полагая ∆ 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); это называется собственным временем между двумя событиями;
• ${\displaystyle \Delta }$t — время между этими двумя событиями, но измеренное в стационарной системе отсчета;
• v – скорость движущейся системы отсчета относительно неподвижной;
• с — скорость света .

Поэтому говорят, что движущиеся объекты демонстрируют более медленное течение времени . Это известно как замедление времени .

Эти преобразования действительны только для двух кадров с постоянной относительной скоростью. Наивное применение их к другим ситуациям порождает такие парадоксы , 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 , описывающий пространство Минковского :

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

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

Уравнения Эйнштейна предсказывают, что время должно изменяться из-за присутствия 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:

${\displaystyle T}$— гравитационное замедление времени объекта, находящегося на расстоянии . ${\displaystyle r}$

${\displaystyle dt}$— 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 интервала 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, чем больше ускорение ) , тем медленнее течет время. Предсказания о замедлении времени подтверждаются экспериментами по ускорению частиц и данными космических лучей , где движущиеся частицы распадаются медленнее , чем их менее энергичные аналоги. Гравитационное замедление времени приводит к явлению гравитационного красного смещения и задержке распространения сигнала Шапиро вблизи массивных объектов, таких как Солнце. Глобальная система позиционирования также должна корректировать сигналы с учетом этого эффекта.

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, который проходит свободный объект между двумя событиями в пространстве-времени, — это путь, для которого промежуток времени между этими событиями, записанный на наручных часах объекта, является экстремумом».

Теория Эйнштейна была основана на предположении, что каждую точку Вселенной можно рассматривать как «центр» и, соответственно, физика должна действовать одинаково во всех системах отсчета. Его простая и элегантная теория показывает, что время зависит от инерциальной системы отсчета . В инерциальной системе отсчета выполняется первый закон Ньютона ; он имеет свою собственную локальную геометрию и, следовательно, свои собственные измерения пространства и времени; не существует «универсальных часов» . По крайней мере, между двумя системами должен быть выполнен акт синхронизации.

Время в квантовой механике

В уравнениях квантовой механики есть параметр времени . Уравнение Шрёдингера [ ^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 временной эволюции , а H — гамильтонианом . ${\displaystyle e^{-iHt/\hbar }}$

Но показанная выше картина Шредингера эквивалентна картине Гейзенберга , которая имеет сходство со скобками Пуассона классической механики. Скобки Пуассона заменяются ненулевым коммутатором , скажем, [H,A] для наблюдаемой 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 A) энергия E (из гамильтониана H) дает:

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

где

${\displaystyle \Delta E}$неопределенность в энергетике

${\displaystyle \Delta T}$это неопределенность во времени

${\displaystyle \hbar }$постоянная Планка

Чем точнее человек измеряет продолжительность 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 также справедливы для импульса p и положения q , которые являются сопряженными переменными друг друга, а также соответствующего принципа неопределенности в импульсе и положении, аналогичного приведенному выше соотношению энергии и времени.

Квантовая механика объясняет свойства элементов периодической таблицы . 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 затем предположил, что этот метод может быть положен 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 часов оптической решетки наверху облака атомов стронция, чем внизу этого облака, столбца высотой в один миллиметр, под воздействием гравитации. ^[32]

Динамические системы

См. динамические системы и теорию хаоса , диссипативные структуры.

Можно сказать, что время — это параметризация динамической системы , которая позволяет проявлять геометрию системы и управлять ею. Утверждалось, что время является неявным следствием хаоса (т.е. нелинейности / необратимости ): характерного времени или скорости производства информационной энтропии системы . Мандельброт представляет внутреннее время в своей книге « Мультифракталы и 1/f-шум» .

Кристаллы времени

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

Сигнализация

Передача сигналов — это одно из применений описанных выше электромагнитных волн . В общем, сигнал — это часть коммуникации между сторонами и местами. Одним из примеров может быть желтая лента, привязанная к дереву, или звон церковного колокола . Сигнал может быть частью диалога , который включает протокол . Другим сигналом может быть положение часовой стрелки на городских часах или железнодорожном вокзале. Заинтересованное лицо может захотеть просмотреть эти часы, чтобы узнать время. См.: Time ball , ранняя форма сигнала Time .

Эволюция мировой линии ускоренной массивной частицы. Эта мировая линия ограничена времяподобными верхней и нижней частями этой пространственно-временной фигуры; эта мировая линия не может пересекать верхний ( будущее ) или нижний ( прошлое ) световой конус . Левая и правая части (которые находятся за пределами световых конусов) подобны пространству .

Мы, как наблюдатели, все еще можем сигнализировать о разных сторонах и местах, пока живем в их световом конусе прошлого . Но мы не можем получать сигналы от этих сторон и мест за пределами светового конуса нашего прошлого .

Наряду с формулировкой уравнений электромагнитной волны можно было основать область телекоммуникаций .

В XIX веке телеграфия , электрические цепи , охватывающие некоторые континенты и океаны , могли передавать коды — простые точки, тире и пробелы. В результате возник ряд технических проблем; см. Категория:Синхронизация . Но можно с уверенностью сказать, что наши сигнальные системы могут быть синхронизированы лишь приблизительно , в плезиохронном состоянии, из которого необходимо устранить джиттер .

Тем не менее, системы можно синхронизировать (в инженерном приближении), используя такие технологии, как GPS . Спутники GPS должны учитывать эффекты гравитации и других релятивистских факторов в своих схемах. См.: Сигнал самосинхронизации .

Технология стандартов хронометража

Основным стандартом времени в США в настоящее время является NIST-F1 , фонтан Cs с лазерным охлаждением , ^[34] последний из серии стандартов времени и частоты, от атомных часов на основе аммиака (1949 г.) до NBS на основе цезия . -1 (1952 г.) до NIST-7 (1993 г.). 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. В настоящее время ведется разработка все более точных стандартов частоты.

В этом стандарте времени и частоты совокупность атомов цезия охлаждается лазером до температуры в один микрокельвин . Атомы собираются в шар, сформированный шестью лазерами, по два на каждое пространственное измерение: вертикально (вверх/вниз), горизонтально (влево/вправо) и назад/вперед. Вертикальные лазеры проталкивают цезиевый шар через микроволновый резонатор. По мере охлаждения шара цезиевая популяция остывает до основного состояния и излучает свет на своей собственной частоте, указанной в определении секунды выше. Одиннадцать физических эффектов учитываются в выбросах цезия, которые затем контролируются часами NIST-F1. Эти результаты сообщаются в BIPM .

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

Измерение времени контролируется BIPM ( Международное бюро мер и весов ), расположенное в Севре , Франция, что обеспечивает единообразие измерений и их прослеживаемость в Международной системе единиц ( СИ ) во всем мире. МБМВ действует под руководством Метрической конвенции , дипломатического договора между пятьдесят 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 конференции Сольвея в том же году Эйнштейн отмахнулся от него словами: « 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 об открытии расширяющейся Вселенной . Текущая общепринятая космологическая модель, модель Lambda-CDM , имеет положительную космологическую постоянную и, следовательно, не только расширяющуюся, но и ускоряющуюся расширяющуюся Вселенную.

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

Флуктуации космического микроволнового фонового излучения WMAP ^[37]

Предсказание Гамова заключалось в том, что температура излучения черного тела Вселенной будет составлять 5–10 кельвинов после того, как она остынет во время расширения. Это было подтверждено Пензиасом и Уилсоном в 1965 году. Последующие эксперименты позволили получить температуру 2,7 Кельвина, что соответствует возрасту Вселенной в 13,8 миллиардов лет после Большого взрыва.

Этот драматический результат поднял вопросы: что произошло между сингулярностью Большого взрыва и планковским временем, которое, в конце концов, является наименьшим наблюдаемым временем. Когда же время могло отделиться от пены пространства-времени ; ^[38] есть только намеки, основанные на нарушении симметрии (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 результате Большого взрыва. Используя теорию относительности и квантовую теорию, мы смогли примерно реконструировать историю Вселенной. В нашу эпоху , когда электромагнитные волны могут распространяться, не мешая проводникам или зарядам, мы можем видеть звезды на больших расстояниях от нас в ночном небе. (До этой эпохи было время, прежде чем Вселенная достаточно остыла, чтобы электроны и ядра могли объединиться 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 может объяснить необратимые явления ^[39] , а также стрелку времени и Большого взрыва .

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Консидайн, Дуглас М.; Консидайн, Гленн Д. (1985). Справочник по технологическим приборам и средствам управления (3-е изд.). МакГроу-Хилл. стр. 18–61. ISBN 0-07-012436-1.
2. Например, Галилей измерял период простого гармонического осциллятора своим импульсом .
3. Отто Нойгебауэр Точные науки в древности . Принстон: Издательство Принстонского университета, 1952; 2-е издание, издательство Брауновского университета, 1957; перепечатка, Нью-Йорк: Dover Publications, 1969. Страница 82.
4. См., например, Уильяма Шекспира «Гамлет» : «... будь верен самому себе, И это должно следовать, как ночь за днем, Ты не можешь тогда быть ложным ни одному человеку».
5. "Гелиакическое / Рассветное восстание". Solar-center.stanford.edu . Проверено 17 августа 2012 г.
6. Фермеры использовали солнце для измерения времени на протяжении тысячелетий как самый древний метод определения времени. Архивировано 26 июля 2010 г. в Wayback Machine.
7. Эратосфен, По меркам Земли вычислил окружность Земли на основе измерения длины тени, отбрасываемой гномоном в двух разных местах Египта, с погрешностью от -2,4% до +0,8%.
8. Фред Хойл (1962), Астрономия: история исследования Вселенной человеком , Crescent Books, Inc., Лондон LC 62-14108, стр.31
9. Астрономы Месопотамии (современный Ирак) записывали астрономические наблюдения невооруженным глазом более 3500 лет назад. П. У. Бриджмен определил свое оперативное определение в двадцатом веке.
10. Астрономия невооруженным глазом устарела в 1609 году после наблюдений Галилея с помощью телескопа. Галилео Галилей Линсео, 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. в Wayback Machine Today, автоматизированные астрономические наблюдения. со спутников и космических аппаратов требуют релятивистских поправок сообщаемых положений.
12. «Единица времени (секунда)» . Брошюра СИ . Международное бюро мер и весов (МБМВ). стр. Раздел 2.1.1.3 . Проверено 8 июня 2008 г.
13. SR Джеффертс и др., «Оценка точности NIST-F1».
14. Фред Адамс и Грег Лафлин (1999), ISBN пяти веков Вселенной 0-684-86576-9 стр.35. 
15. Чарльз Хоуз и Уильям Макдугалл (1912) Языческие племена Борнео , фото 60. Кенийцы измеряют длину тени в полдень, чтобы определить время посева PADI, с. 108. Эта фотография воспроизведена как пластинка B в книге Фреда Хойла (1962), « Астрономия: история исследования Вселенной человеком» , 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, техники и медицины в незападных культурах , Хелейн Селин , изд., в котором описываются кенийские племена Борнео, измеряющие тень, отбрасываемую гномоном, или тукар-до с помощью измерительной шкалы, или асо-до .
16. Норт, Дж. (2004) Божий часовщик: Ричард Уоллингфордский и изобретение времени . Книги Оксбоу. ISBN 1-85285-451-0 
17. Уотсон, Э. (1979) «Часы Ричарда Уоллингфорда в Сент-Олбансе». Антикварное часовое дело 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 Science 213 , Leida, Appresso gli Elsevirii (Луи Эльзевир), или Математические дискурсы и демонстрации, относящиеся к двум новым наукам , английский перевод Генри Крю и Альфонсо де Сальвио 1914. Раздел 213 перепечатано на страницах 534-535 книги « На плечах гигантов : Великие произведения физики и астрономии» (работы Коперника , Кеплера , Галилея , Ньютона и Эйнштейна ). Стивен Хокинг , изд. ISBN 2002 г. 0-7624-1348-4 
20. Ньютон 1687 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , Londini, Jussu Societatis Regiae ac Typis J. Streater, или Математические принципы естественной философии , Лондон , английский перевод Эндрю Мотта , 1700-е годы. Из части Схолия, перепечатанной на странице 737 книги « На плечах гигантов : Великие произведения физики и астрономии» (работы Коперника , Кеплера , Галилея , Ньютона и Эйнштейна ). Стивен Хокинг , изд. ISBN 2002 г. 0-7624-1348-4 
21. Ньютон 1687, стр. 738.
22. стр. 182–195. Стивен Хокинг 1996. Иллюстрированная краткая история времени : обновленное и расширенное издание ISBN 0-553-10374-1 
23. Эрвин Шрёдингер (1945) Что такое жизнь?
24. Г. Николис и И. Пригожин (1989), Исследование сложности
25. Р. Капрал и К. Шоуолтер, ред. (1995), Химические волны и закономерности
26. Илья Пригожин (1996) Конец уверенности, стр. 63–71.
27. Анри Пуанкаре, (1902). Электронный журнал «Наука и гипотеза» , заархивированный 4 октября 2006 г. в Wayback Machine.
28. Эйнштейн, 1905, Zur Elektrodynamik bewegter Körper [Об электродинамике движущихся тел] перепечатано в 1922 году в Das Relativitätsprinzip , Б. Г. Тойбнер, Лейпциг. «Принципы относительности : сборник оригинальных статей по специальной теории относительности» , написанные Х. А. Лоренцем, А. Эйнштейном, Х. Минковским и В. Х. Вейлем, являются частью Fortschritte der mathematischen Wissenschaften in Monographyien, Heft 2 . Английский перевод выполнен У. Перреттом и Дж. Джеффри и перепечатан на странице 1169 книги « На плечах гигантов : великие произведения физики и астрономии» (работы Коперника , Кеплера , Галилея , Ньютона и Эйнштейна ). Стивен Хокинг , изд. ISBN 2002 г. 0-7624-1348-4 
29. Тейлор (2000). «Исследование черных дыр: введение в общую теорию относительности» (PDF) . Эддисон Уэсли Лонгман.
30. Шрёдингер, Э. (1 ноября 1926 г.). «Волновая теория механики атомов и молекул». Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 28 (6): 1049–1070. Бибкод : 1926PhRv...28.1049S. doi : 10.1103/physrev.28.1049. ISSN  0031-899X.
31. Краткая история атомных часов в NIST. Архивировано 14 февраля 2009 г. в Wayback Machine.
32. Slashdot (25 октября 2021 г.) Сверхточные часы показывают, как связать квантовый мир с гравитацией. Работа Джун Е в JILA
33. Ведика Кхемани, Родерих Месснер и С.Л. Сондхи (23 октября 2019 г.) Краткая история кристаллов времени
34. Д.М. Микхоф, С.Р. Джеффертс, М. Степанович и Т.Э. Паркер (2001) «Оценка точности первичного стандарта частоты цезиевого фонтана в NIST», Транзакции IEEE по контрольно-измерительным приборам и измерениям . 50 , нет. 2, (апрель 2001 г.), стр. 507–509.
35. Джеймс Джесперсен и Джейн Фитц-Рэндольф (1999). От солнечных часов до атомных часов: понимание времени и частоты . Вашингтон, округ Колумбия: Министерство торговли США, Технологическое управление, Национальный институт стандартов и технологий. 308 с. : больной.; 28 см. ISBN 0-16-050010-9 
36. Джон К. Мэзер 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 об экспериментальной программе по обнаружению предсказанных колебаний космического микроволнового фонового излучения . 
38. Мартин Рис (1997), ISBN « Перед началом » 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 Зе, Х. , Физическая основа направления времени . Спрингер. ISBN 978-3-540-42081-1 
• Кун, Томас С. , Структура научных революций . ISBN 0-226-45808-3 
• Мандельброт, Бенуа , Мультифракталы и шум 1/f . Спрингер Верлаг. Февраль 1999 г. 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» . Университет Миннесоты Пресс. Ноябрь 1997 г. ISBN 0-8166-2517-4. 

Внешние ссылки

• СМИ, связанные со временем в физике, на Викискладе?