Время в физике

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

В физике показывают время определяется его измерением : время — это то, что часы . В классической нерелятивистской физике это скалярная величина (часто обозначаемая символом $t$) 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 зависящие от времени поля . Хронометраж представляет собой комплекс технологических и научных вопросов и является частью основы ведения учета .

Маркеры времени

Основная статья: История приборов для измерения времени

До появления часов время измерялось с помощью физических процессов. которые были понятны каждой эпохе цивилизации:

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

В конце концов, стало возможным характеризовать течение времени с помощью приборов, используя операциональные определения . Одновременно с этим развивалась наша концепция времени, как показано ниже.

Единица измерения времени: секунда.

В Международной системе единиц (СИ) единицей времени является секунда (обозначение: $\mathrm {s}$). 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». 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.

Современное состояние хронометража

Временная UTC метка , используемая во всем мире, представляет собой атомный стандарт времени. Относительная точность такого эталона времени в настоящее время составляет порядка 10. ⁻¹⁵ (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 секунд – на много порядков ниже разрешения нынешних 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 развития 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

Основная статья: Время

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

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 Эйнштейна теории относительности , 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

Основная статья: История науки

Чтобы измерить время, можно записать количество появлений (событий) какого-либо периодического явления . Регулярная повторяемость времен года , движение Солнца были , Луны и звезд были отмечены и занесены в таблицы на протяжении тысячелетий, прежде чем сформулированы законы физики . Солнце было арбитром течения времени, но время было известно только с точностью до часа на протяжении тысячелетий , 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 .

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.Подсчет равноденствий , песочных и водяных часов становился все более точным и, наконец, надежным. Для кораблей в море морские песочные часы использовались . Эти устройства позволяли морякам узнавать часы и рассчитывать скорость плавания.

Механические часы

Ричард Уоллингфордский (1292–1336), аббат аббатства Сент-Олбанс, около 1330 года построил знаменитые механические часы как астрономическую планету .

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

Основная статья: воспроизводимость

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 соборе в Пизанском со своим пульсом .

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:

...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 ."

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

Физика Ньютона: линейное время

Основная статья: классическая физика

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, безотносительно к чему-либо внешнему, и называется под другим именем продолжительностью: относительное, видимое и обычное время есть некое чувственное и внешнее (будь то точное или неуравновешенное время). ) мера длительности посредством движения, которую обычно используют вместо истинного времени; например, час, день, месяц, год.

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. Ньютона Поскольку тезисы 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

Основная статья: Стрела времени

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:

• 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» . 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 реакция Белоусова-Жаботинского Сообщалось, что они демонстрируют колеблющиеся цвета в химическом растворе. Эти неравновесные термодинамические ветви достигают точки бифуркации , которая является неустойчивой, и вместо нее устойчивой становится другая термодинамическая ветвь.

Электромагнетизм и скорость света

Основная статья: уравнения Максвелла

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. известны как Максвелла уравнения электромагнетизма Эти уравнения ; они допускают решения в виде электромагнитных волн и распространяются с фиксированной скоростью c независимо от скорости породившего их электрического заряда.

Тот факт, что свет, по прогнозам, 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 неизмененный вид в известной форме.

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 «Науке и гипотезе» , которая была опубликована 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.

Физика Эйнштейна: пространство-время

Основные статьи: Специальная теория относительности и Общая теория относительности

Альберта Эйнштейна 1905 года Специальная теория относительности 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, если мы не установим по определению , что «время», необходимое свету для перемещения от A до B, равно «времени», необходимому ему 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

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

Мы предполагаем, что это определение синхронизма лишено 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».

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:

$\mathbf {v} ={d\mathbf {r} \over dt}{\text{,}}$ 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)

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

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 представляет собой гиперболическое вращение. ${\begin{pmatrix}ct'\\x'\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cosh \phi &-\sinh \phi \\-\sinh \phi &\cosh \phi \end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}ct\\x\end{pmatrix}}{\text{ where }}\phi =\operatorname {artanh} \,{\frac {v}{c}}{\text{,}}$ что является заменой координат в четырёхмерном пространстве Минковского , размерность которого равна ct . (В евклидовом пространстве обычное вращение ${\begin{pmatrix}x'\\y'\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cos \theta &-\sin \theta \\\sin \theta &\cos \theta \end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}}$ — соответствующее изменение координат.) Скорость света c можно рассматривать как просто коэффициент преобразования, необходимый, поскольку мы измеряем 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 единицы измерения, в которых c = 1 для упрощения уравнений используются .

Показано, что время в «движущейся» системе отсчета течет медленнее, чем в «стационарной» по следующему соотношению (которое можно получить с помощью преобразования Лоренца, полагая ∆ x ′ = 0, ∆ τ = ∆ t ′):

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

где:

• $\Delta \tau$ — 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;
• $\Delta$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 .

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

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

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 ):

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

Где:

$T$ гравитационное замедление времени объекта, находящегося на расстоянии $r$.

$dt$ — изменение координатного времени или интервал координатного времени.

$G$ гравитационная постоянная

$M$ это масса, создающая поле

${\sqrt {\left(1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}\right)dt^{2}-{\frac {1}{c^{2}}}\left(1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}\right)^{-1}dr^{2}-{\frac {r^{2}}{c^{2}}}d\theta ^{2}-{\frac {r^{2}}{c^{2}}}\sin ^{2}\theta \;d\phi ^{2}}}$ это изменение в собственном времени $d\tau$, или интервал собственного времени .

Или можно использовать следующее более простое приближение:

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

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:

«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 первый закон Ньютона выполняется ; 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

Смотрите также: квантовая механика

есть параметр времени В уравнениях квантовой механики . Шрёдингера Уравнение является

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

Одним из решений может быть

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

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

Но показанная выше картина Шрёдингера 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:

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

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

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

где

$\Delta E$ неопределенность в энергетике

$\Delta T$ это неопределенность во времени

$\hbar$ постоянная Планка

Чем точнее можно измерить 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 периодической элементов таблицы . Начиная с Отто Штерна и Вальтера Герлаха эксперимента с молекулярными пучками в магнитном поле, Исидор Раби (1898–1988) смог модулировать магнитный резонанс пучка. В 1945 году Лави предположил, что эта техника легла в основу часов. используя 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.

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 информационной энтропии производства системы . Мандельброт представляет внутреннее время в своей книге «Мультифракталы и 1/f-шум» .

Кристаллы времени

Дополнительная информация: Кристалл времени.

Кемани, Месснер и Сонди определяют кристалл времени как «стабильные, консервативные, макроскопические часы».

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 времениподобными 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 прошлого световом конусе . Но мы не можем получать сигналы от этих сторон и мест за пределами светового конуса нашего прошлого .

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

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 джиттер необходимо устранить .

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 , с лазерным охлаждением фонтан Cs . последний из серии стандартов времени и частоты, от атомных часов на основе аммиака (1949 г.) до NBS-1 на основе цезия (1952 г.) и NIST-7 (1993 г.). Соответствующая погрешность часов снизилась с 10 000 наносекунд в день до 0,5 наносекунд в день за 5 десятилетий. В 2001 году погрешность часов NIST-F1 составляла 0,1 наносекунды в 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 .

эталонный водородный мазер Кроме того, в BIPM также сообщается 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

Основная статья: физическая космология

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, заявив: « Vos Calculs Sont Corrects, mais Votre Physique est отвратительно » . («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.

WMAP Флуктуации космического микроволнового фонового излучения

Предсказание Гамова заключалось в том, что 5–10 кельвинов температура излучения черного тела Вселенной будет составлять 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 ; 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

Ильи Пригожина Реприза – « 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 . а также стрела времени и Большой взрыв .

См. также

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

Дальнейшее чтение

• Бурштейн, Дэниел Дж., Первооткрыватели . Винтаж. 12 февраля 1985 года. 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 года. 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 года. ISBN   0-472-06548-3
• Стенгерс, Изабель и Илья Пригожин, «Теория за пределами» . Университет Миннесоты Пресс. Ноябрь 1997 года. ISBN   0-8166-2517-4

Внешние ссылки

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