Что такое время в физике кратко
Обновлено: 04.07.2024
Мы не знаем что такое время. Мы также не знает что такое пространство. Над этими вопросами думали древние греки и продолжают думать современные учёные. Но молодым физикам надо еще и писать диссертации. Вот они и придумали, что если не заморачиваться вопросом — что такое время вообще и использовать интервал времени — секунда, из показания атомных часов (Цезий-133, относительная точность в районе 10⁻¹⁴ ÷ 10⁻¹⁷), то можно спокойно работать над диссертациями. А о времени вообще, пусть думают академики и физики, от которых ушли жёны, т.е. философы.
Из Специальной Теории Относительности известно, что мы (как и все объекты Вселенной) движемся через 4-х мерное пространство-время с 4-х скоростью (u), квадрат которой ||u||² = ± c², где c — скорость света. Если объект неподвижен (в пространстве), то он перемещается в пространстве-времени со скоростью света по оси времени. Если объект перемещается в пространстве, то движение по оси времени должно изменить свой темп, чтобы сохранился квадрат 4-х скорости, равный квадрату скорости света. Таким образом атомные часы у движущегося в пространстве объекта, будут тикать медленнее. Максимальная скорость в пространстве возникнет, если движение по оси времени останавливается и всё движение объекта — это движение в пространстве. Примером является фотон, который попадает в наши детекторы из другого конца Вселенной без изменения возраста. То есть у фотона нет времени (его атомные часы всегда стоят).
Как следует из Общей Теории Относительности (ОТО), геометрия пространства-времени — это динамическая система, которая развивается во времени, а кривизна пространства-времени зависит от массы-энергии, заключённой в ней. Это приводит к гравитационному замедлению времени рядом с массивными объектами. Предсказания ОТО проверены с точностью 11 знаков после запятой по наблюдениям утечки энергии бинарных пульсаров в форме гравитационных волн.
Определение времени — то, что мы измеряем нашими часами, дало гигантский скачок в развитии науки в 20-ом веке. Но не всё так просто. Сегодня век 21-ый, и у теоретиков по Теории Струн уже давно зреет мысль, что пространство-время не обладает той фундаментальностью, которую мы в нее вкладываем. Они даже говорят об "обречённости" пространства-времени, допуская изменения непрерывным образом топологии пространства-времени.
Нет более сложного вопроса для современной физики чем определение физического смысла времени. В этой статье мы вместе с вами рассмотрим новое объяснение времени, как однонаправленного физического процесса. Посмотрим на суть времени и выясним, можем ли мы изменить его ход.
Существующая концепция времени
Время в современной трактовке это форма протекания физических процессов и мера длительности существования объектов и взаимодействий между ними. Время течет только от прошлого в будущее (через настоящее) и при этом является одной из координат единого пространства времени в теории относительности.
Время инвариантно и нереверсивно при последовательной смене событий в реальной жизни, и в то-же время наука утверждает, что физические законы не делают различий между направлением вперед, или назад во времени. Некоторые ученые (например Стивен Хокинг) выделяли три независимые стрелы времени: термодинамическую, психологическую и космологическую, утверждая при этом, что именно благодаря их направленности мы отличаем будущее от прошлого.
Давайте познакомимся с новой концепцией времени и вместе ответим на некоторые важные вопросы.
Так что же такое время?
Базой для определения времени будет скоростная или релятивистская теория мультивселенной, в которой каждому пространству- вселенной соответствует свой узкий скоростной диапазон, а границей пространства является определенная скорость - количество движения. Согласно этой концепции, границей нашей вселенной (нашего трехмерного пространства) является скорость света в вакууме (300.000 км.сек). В следствии этой модели, линейные размеры (координатные расстояния), масса и время зависят от скорости, или говоря проще, от количества движения.
С этого момента давайте поподробней, так в чем собственно физический смысл времени?
Физический смысл времени заключен в количестве движения которое необходимо любому материальному объекту для того, чтобы быть частью этого трехмерного пространства. Частица должна иметь скорость, или двигаться создавая определенное количество движения, например спин, который в скоростной теории мультивселенной определяется как вращение вокруг своей оси. Каждый поворот частицы определяет однонаправленный вектор осевого вращения, который в буквальном смысле формирует время как физическое явление.
Время это движение каждого материального объекта этой вселенной, представленное однонаправленным вектором последовательно изменяемых состояний.
Если говорить еще конкретней, то время определяется только движением или скоростью и не существует в обособленном виде. Нет времени отдельно от движения, а его направленность по сути, является вектором движения объекта.
Каждая частица в вашем теле вращается последовательно меняя свое положение, чем создает количество движений. Скорость этих движений определяет пространственные координаты (метрику) а последовательность и вектор направленности этих движений определяют время и его однонаправленную стрелу.
Стрела времени это и есть стрела направления движения частиц материи нашего мира. Время не существует в отдельности от движения, а значить, мы можем говорить, что если пространственные координаты и масса частиц зависят от скорости, то время это следствие однонаправленности движения которое эту скорость определяет.
Из этого следует ряд важных выводов:
1- Нет времени отдельно от материи которая двигается в пространстве.
2- Метрические свойства времени зависят не от геометрии пространства или поля гравитации, а только от скорости движения.
3-Метрический тензор в действительности описывает влияние скорости (однонаправленного вектора количества движения) на время и линейные размеры.
4-Относительное замедление времени вблизи крупных материальных объектов нашего пространства, является следствием торможения скорости вращения частиц материи и так-же как и гравитация, зависит только от скорости как количества движения.
5-Говоря еще проще, время и гравитация имеют одну и туже природу, что позволяет нам говорить, что принцип эквивалентности применим к изменениям времени по той причине, что то-же самое изменение количества движения которое определяет гравитация как инерцию, определяет и замедление времени.
6- Каждая материальная точка этой вселенной имеет свое время, которое зависит только от ее скорости как количества движения.
Давайте ответим на некоторые важные вопросы о времени.
Почему течет время?
Время течет по той причине, что все материальные объекты нашей вселенной имеют определенную скорость представленную количеством движения.
Почему время течет в одном направлении?
Однонаправленность течения времени, является прямым следствием направленности движения, или вектора каждой частицы нашего пространства- вселенной.
Существуют ли кванты времени?
Нет возможности разделить движение на неделимые отрезки или величины. Можно говорить только о гипотетическом минимально определяемом изменении количества движения, что свидетельствует в пользу утверждения о невозможности квантировать время в его физическом смысле. Другими словами, хронон - квант времени не существует в природе.
Почему время одномерно?
Время одномерно по той причине, что движение материальных частиц нашей вселенной в не зависимости от пространственной ориентации вектора имеет направленную последовательность движений.
Возможно ли изменить ход времени?
Любое изменение скорости движения частицы, или материального тела (любое изменение количества движения), будет замедлять или ускорять ход времени. Это значить, что мы не только можем изменять ход времени, но и делаем это уже сейчас, каждый раз когда двигаемся.
Есть ли время за пределами нашей вселенной?
Везде где есть движение, обязательно есть время. При этом время нашей вселенной не существует за ее пределами (за скоростной границей 300.000 км. сек.). В других частях мультивселенной существует другой ход времени, который при этом, так-же как и наше время зависит от движения (скорости).
Время как и пространственная метрика, или линейные размеры, равно как и масса, полностью зависит от скорости (количества движения), и является индивидуальной характеристикой свойственной всем материальным объектам нашего пространства - вселенной.
Попробуйте сходу дать точное определение: что такое время? Мысль вертится вокруг этого понятия, пытается ухватиться, но вот сформулировать однозначное определение сложно. Есть разные концепции и трактовки времени в философии, физике, метрологии.
В классической механике и теории относительности используются совершенно разные концепции времени. В первом случае время характеризует последовательность событий, происходящих в трехмерном пространстве. Во втором рассматривается еще и как четвертая координата.
Но обо всем по порядку. Давайте узнаем, как люди измеряли время, почему секунда - его мельчайшая принятая единица. Также определим понятие времени в физике, рассмотрим явления релятивистского и гравитационного замедления времени.
Что такое время?
Течение времени – совершенно естественное явление. Время идет, все вокруг меняется, происходят разные события. Именно поэтому о времени с точки зрения физики, в первую очередь, стоит говорить в контексте событий.
Если бы вокруг ничего не происходило, понятие времени не имело бы традиционного смысла. Другими словами, без событий времени не существует. Итак:
Время – мера того, как меняется окружающий мир. Время определяет длительность существования объектов, изменение их состояний и процессы, протекающие в них.
В системе СИ время измеряется в секундах и обозначается буквой t.
Как люди измеряли время?
Для измерения времени нужны какие-либо повторяющиеся с одинаковым периодом события. Например, смена дня и ночи. Солнце каждый день встает на востоке и садится на западе, а Луна каждый синодический месяц проходит весь цикл фаз освещенности солнцем - от тоненького серпа полумесяца до полнолуния.
Синодический месяц – время от одного новолуния до другого. За синодический месяц Луна совершает оборот вокруг Земли.
Древним людям ничего не оставалось, как привязать отсчет времени к движению небесных тел и событиям, связанным с ним. А именно – к смене дней, ночей и сезонов года.
В году 4 сезона и 12 месяцев. Именно столько раз за весну, лето, осень и зиму Луна меняет свои фазы.
По мере развития прогресса методы измерения времени совершенствовались, появились солнечные, водяные, песочные, огненные, механические, электронные и, наконец, молекулярные часы.
Часы FOCS 1 Часы FOCS 1 в Швейцарии измеряют время с погрешностью хода около одной секунды за 30 миллионов лет. Это очень точные часы, но через 30 миллионов лет их все же придется "подвести".
Почему в часе 60 минут, в минуте – 60 секунд, а в сутках – 24 часа?
Сразу оговоримся, что изложенное ниже во многом является личными предположениями автора, сделанными на основе исторических сведений. Если у наших читателей появятся уточнения или вопросы, мы будем рады видеть их в обсуждениях.
Древним народам нужна была какая-то основа, чтобы строить свои системы счисления. В Вавилоне за такую основу было взято число 60.
Именно благодаря шестидесятеричной системе счисления, придуманной шумерами и позже распространившейся в Древнем Вавилоне, окружность содержит 360 градусов, градус – 60 минут, а минута – 60 секунд.
Год можно представить в виде окружности, содержащей 360 градусов. Возможно, число 360 в данном контексте взялось оттого, что в году 365 дней, и эту цифру просто округлили до 360.
Когда-то самой короткой единицей измерения времени был час. Древние вавилоняне были сильными математиками и решили ввести меньшие единицы времени, используя свое любимое число 60. Поэтому, в часе 60 минут, а в минуте 60 секунд.
Но почему день делится на 12 часов? За это нужно сказать спасибо древним египтянам и их двенадцатиричной системе. День и ночь делились на 12 раных частей, считаясь разными царствами бытия. Скорее всего, первоначально использование числа 12 связано с количеством оборотов Луны вокруг Земли за год.
Самая большая единица измерения времени
Самая большая единица измерения времени – кальпа. Кальпа является понятием из индуизма и буддизма. Она равняется примерно 4,32 миллиардам лет, что совпадает с возрастом Земли с точностью до 5%.
Как в голову древним индуистам пришли такие цифры? Ответа на этот вопрос мы не знаем, но вся система как будто говорит нам, что тогда люди знали о Вселенной немного больше, чем мы.
Представление о времени
Если перевести сто лет Брахмы в наши традиционные годы, получится 311 триллионов и 40 миллиардов лет! Нынешнему Брахме 51 год.
Вывод: если все это правда, то беспокоится не стоит - Вселенная будет существовать еще долгое время.
Кальпа – самая большая единица измерения времени согласно книге рекордов Гиннеса.
Первые часы
Сначала было достаточно палочки, на которой каменным топором можно делать зарубки и тем самым отсчитывать прошедшие дни. Но это скорее был календарь, а не часы.
Первые и самые древние часы – солнечные. Их действие основано на изменении длины тени предметов по мере того, как солнце движется по небосводу. Такие часы представляли собой гномон – длинный шест, воткнутый в землю. Солнечные часы применялись в Древнем Египте и Китае. О них было доподлинно известно уже в 1200 году до нашей эры.
Солнечные часы в Китае
Затем появились водяные, песочные и огненные часы. Работа этих механизмов не была привязана к движению небесных светил. Долгое время водяные часы были главным инструментом для измерения времени.
Первые механические часы были изготовлены китайскими мастерами в 725 году нашей эры. Однако широкое распространение они получили относительно недавно.
В средневековой Европе механические часы устанавливались в башнях соборов и имели только одну стрелку – часовую. Карманные часы появились только в 1675 году (изобретение запатентовал Гюйгенс), а наручные – намного позже.
Первые наручные часы были исключительно женским аксессуаром. Они представляли собой богато украшенные изделия, точность хода которых отличалась огромными погрешностями. У уважающего себя мужчины не могло быть и мысли о том, чтобы носить наручные часы.
Современные часы
Сейчас механические или электронные часы есть у каждого. Они измеряют время с относительно небольшими погрешностями. Однако самыми точными часами в мире являются атомные часы. Их еще называют молекулярными или квантовыми.
Биг Бен - знаменитые башенные часы
Как мы помним, для определения единицы времени необходим какой-то периодический процесс. Когда-то самой короткой единицей был день. То есть единица измерения время была привязана к периодичности восхода и заката солнца. Потом минимальной единицей стал час, и так далее.
С 1967 года, согласно международной системе СИ, определение одной секунды привязано к периоду электромагнитного излучения, возникающего при переходе между сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия-133. А именно: одна секунда равна 9 192 631 770 таким периодам.
Время в физике
На данный момент не существует определенной и единой концепции определения времени в физике.
В классической механике время считается непрерывной, априорной и ничем не определяемой характеристикой мира.
Для измерения времени используется какая-либо периодическая последовательность событий. В классической физике время инвариантно относительно любой системы отсчета. То есть во всех системах события происходят одновременно.
Как найти время в физике? Простейшая формула, определяющая связь между пройденным путем, скоростью и временем, известна каждому школьнику и имеет вид:
Это формула времени для равномерного и прямолинейного движения. Здесь t - время, S - пройденное расстояние, v - cкорость.
Более подробно об основах классической механики читайте в нашей отдельной статье.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Термодинамика говорит, что время необратимо. Необратимо по причине возрастания энтропии замкнутой системы. Кстати, в нашем тематическом материале читайте о том, что такое энтропия.
Но самое интересное начинается в релятивистской физике. Приведем цитату Стивена Хокинга, физика, написавшего краткую историю времени.
Нам приходится принять, что время не отделено полностью от пространства и не независимо от него, но вместе с ним образует единый объект, который называется пространством-временем
Также в релятивистской физике время перестает быть инвариантом и можно говорить об относительности времени. Другими словами, ход времени зависит от движения системы отсчета.
Это так называемое релятивистское замедление времени. Если часы находятся в неподвижной системе отсчета, то в движущемся теле все процессы происходят медленнее, чем в неподвижном. Именно поэтому космонавт, путешествующий в космосе на супер скоростном корабле, практически не постареет по сравнению со своим братом близнецом, оставшимся на Земле.
Релятивистское замедление времени
Помимо релятивистского существует гравитационное замедление времени. Что это такое? Гравитационное замедление времени – изменение хода часов в гравитационном поле. Чем сильнее поле гравитации, тем сильнее замедление.
Вспомним о том, что секунда – это время, за которое атом изотопа цезия совершает 9 192 631 770 квантовых переходов. В зависимости от того, где находится атом (на земле, в космосе, вдали от любого объекта или у черной дыры) секунда будет иметь разные значения.
Поэтому и время процессов, связанных с данной системой отсчета, будет отличаться. Так, для наблюдателя у горизонта событий Шварцшильдовской черной дыры время практически остановится, а для наблюдателя на Земле все произойдет почти мгновенно.
Людей всегда волновала тема путешествий во времени. Предлагаем вам посмотреть научно-популярный фильм на эту тему и напоминаем, что если у вас совершенно нет времени на учебные дела, наш студенческий сервис всегда поможет справится с актуальными задачами и проблемами.
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Время — оно как воздух. Мы живем в нем и даже не задумываемся над тем, что это такое и как им пользоваться. Тем не менее, это очень сложная вещь, которая лежит в основе всего. Не зря же есть словосочетание ”пространство и время”. С пространством все понятно — вот оно. До работы 10 километров на машине, а до магазина 300 метров пешком. Вот только время в этом пути будет очень относительным. Но что это вообще такое и справедливо ли говорить о том, что время бесконечно и оно было всегда? Можно ли потрогать время? Может быть его можно остановить или повернуть вспять? Все эти вопросы люди часто задают друг другу и сами себе. Давайте попробуем ответить хоть на какие-то из них.
Время есть у всех. Но только что такое время?
Что такое время?
Обычно под временем мы понимаем то, что отсчитывается стрелками часов и чего нам всегда не хватает. При этом, считается, что время делится на прошлое, настоящее и будущее. С первым и последним понятно, но существует ли настоящее?
Любая микроскопическая доля времени, про которую мы постараемся сказать, как про настоящее, уже будет прошлым. Получается, что настоящего, как такового, не существует. Оно является только тем, что мы привыкли так называть, то есть очень широкое понятие в духе ”наши дни”. Оно может включать периоды от нескольких месяцев до нескольких лет и даже тысяч лет, если мы говорим, к примеру, о существовании Вселенной или формировании нашей планеты.
Одно из определений времени гласит, что это то, заставляет все события происходить неодновременно.
При этом многие ученые все же воспринимают время, как прогрессию, в которой будущее становится настоящим, а настоящее — прошлым, и этот процесс непрерывен. Даже если взорвется наше Солнце, время все равно не остановится и продолжит существовать. Просто уже не для нас.
Почему во время карантина время идет быстрее?
Что дает понимание времени
А еще время является основной для понимания того, что такое динамика. Только имея представления о времени, можно говорить о событиях, которые развиваются с определенной скоростью. Ведь совершенно нормальным считается спросить, когда что-то произошло и сколько продлилось то или иное явление. Получается, что время похоже на пространство — это координаты, но не точки на карте того, когда это было. Отличие только одно. По карте можно ходить куда угодно, а по времени — только в одну сторону. Именно это свойство времени является главной загадкой, над которой бьются ученые и строят свои гипотезы фантасты.
Фантасты часто поднимают тему времени, так как полет фантазии в этом направлении невозможно остановить.
Люди воспринимают время более менее одинаково, так как привычные нам часы тикают с одной скорость. Однако, это справедливо только для классической физики. Квантовая же физика утверждает обратное и говорит о том, что система становится активной только в тот момент, когда за ней наблюдают. То есть, в некотором роде именно квантовая физика не исключает возможности движения времени вспять.
Немного юмора от физики, который кое-что объясняет.
Теория относительности Альберта Эйнштейна
В свое время Альберт Эйнштейн явил миру теорию относительности, о которой вы наверняка слышали. Она полностью меняет типичное представление о времени и взгляд на него. Согласно этой теории, прогрессия времени не универсальна. Если говорить совсем просто, то по этой теории часы идут с разной скоростью в зависимости от того, на чьей руке они надеты.
Если обладатель часов окажется в непривычной для него ситуации, например, будет перемещаться со скоростью света или окажется рядом с сильным источником гравитационных волн — например, рядом с черной дырой — время для него пойдет иначе. В некоторых ситуациях оно может даже остановиться или и вовсе повернутся вспять.
Теория относительности предполагает, что любые события могут влиять только на те события, которые происходят после них. Но это не противоречит движению времени, как вектора физической величины, в обратном направлении. В этом случае уже события будущего будут находится в прошлом относительно ”того, кто носит часы”.
Проще говоря, в такой ситуации восприятие привычных физических процессов меняется и человек оказавшийся в таком месте может не только наблюдать время, но и двигаться по нему как в обычном пространстве — влево, вправо, вперед, назад и так далее. То есть, относительность уравнивает время и пространство, наделяя их одними и теми же свойствами.
Величайшие умы мира бьются над разгадкой тайны времени, но они ничего пока так и не добились.
Возможно ли путешествие во времени
Есть еще понятие T-симметрии, когда явления и величины, коими они представлены, не зависят от шкалы координат, и при изменении положительного значения на отрицательное кривая на графике становится зеркальной. В теории относительности, несмотря на такие отличие от привычного мира, это правило тоже сохраняется.
Интересно, что в споры о возможности путешествия во времени в обратном направлении вмешивается термодинамика, которая говорит, что все процессы в мире стремятся из упорядоченной системы к хаосу, то есть увеличению энтропии. Этот процесс нельзя повернуться вспять. То есть, взорвавшиеся звезды нельзя ”склеить” обратно, а сгнивший лист железа превратить в новый. Проще говоря, ”фарш невозможно провернуть назад и мяса из него не восстановишь”.
Если они смогли, может и мы когда-то сможем?
В итоге, грубо можно сказать, что время для нас это то время, которое есть на Земле. Если мы начнем путешествовать в пространстве дальше ближайших планет, нам придется понимать, что такое время и как оно меняется. Хотя, формально, на незначительные доли секунд отклонения есть и на Земле. Это даже учитывается при создании некоторых сверхточных систем и атомных часов.
Понимаем ли мы время
Вообще, человечество пока плохо понимает, что такое время на самом деле и все сказанное является только теориями и гипотезами. Мы пока так и не смогли достичь источников гравитационных волн, хотя смогли зафиксировать их.
Пока о времени мы знам только то, что это геометрический параметр, характеризующий длительность процессов. Он является частью пространственно-временного континуума и четвертой осью привычного нам трехмерного мира. Ах да… Еще то, что это чертовски интересная и непонятная штука. Как у нас говорят — ничего непонятно, но очень интересно.
Читайте также: