Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Метрология и автоматизация

Измерение времени

Измерение времени

Время — мера длительности существования всех объектов, характеристика последовательной смены их состояний в процессах изменения и развития.

1. Время

Время — форма протекания физических и психических процессов, условие возможности изменения[1]. Одно из основных понятий философии и физики, мера длительности существования всех объектов, характеристика последовательной смены их состояний в процессах изменения и развития[2], а также одна из координат единого пространства-времени, представления о котором развиваются в теории относительности.

В классической физике, время — непрерывная величина, априорная характеристика мира, ничем не определяемая. В качестве основы измерения просто берётся некая последовательность событий, про которую считается несомненно верным, что она происходит через равные промежутки времени, то есть периодична. Именно на этом принципе и основаны часы. Такая же роль времени и в квантовой механике: несмотря на квантование почти всех величин, время осталось внешним, неквантованным параметром. В обоих случаях «скорость течения времени» не может ни от чего зависеть, а потому тавтологически равна константе.

В релятивистской физике ситуация кардинально меняется. Время рассматривается как часть единого пространства-времени, и, значит, может меняться при его преобразованиях. Можно сказать, что время становится четвёртой координатой, правда, в отличие от пространственных координат, она обладает противоположной сигнатурой. «Скорость течения времени» становится понятием «субъективным», зависящим от системы отсчёта. Ситуация усложняется в общей теории относительности, где «скорость течения времени» зависит также и от близости к гравитирующим телам.

Физическая интерпретация вышеназванных теорий требует нового определения времени, как числа процессов в системе отсчёта, произошедших одновременно с данным процессом. Система отсчёта времени может быть неравномерная (как процесс вращения Земли вокруг Солнца) или равномерная. Эталон секунды — период излучения, соответствующий переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями.

В этом контексте в некоторых гипотезах выделяют такое элементарное «мгновение» — хронон, соответствующее понятию планковское время и являющееся согласно этим гипотезам квантом времени, то есть его мельчайшей неделимой частицей, и составляющее примерно $5.3×10^{-44}$ с.

Поскольку состояния всего нашего мира зависят от времени, то и состояние какой-либо системы тоже может зависеть от времени, как обычно и происходит. Однако в некоторых исключительных случаях зависимость какой-либо величины от времени может оказаться пренебрежимо слабой, так что с высокой точностью можно считать эту характеристику независящей от времени. Если такие величины описывают динамику какой-либо системы, то они называются сохраняющимися величинами, или интегралами движения. Например, в классической механике полная энергия, полный импульс и полный момент импульса изолированной системы являются интегралами движения.

Различные физические явления можно разделить на три группы

  • стационарные — явления, основные характеристики которых не меняются со временем. Фазовый портрет стационарного явления описывается неподвижной точкой.
  • нестационарные — явления, для которых зависимость от времени принципиально важна. Фазовый портрет нестационарного явления описывается движущейся по некоторой траектории точкой. Они, в свою очередь, делятся на
    • периодические — если в явлении наблюдается чёткая периодичность (фазовый портрет — замкнутая кривая)
    • квазипериодические — если они не являются в строгом смысле периодическими, но в малом масштабе выглядят как периодические (фазовый портрет — почти замкнутая кривая)
    • хаотические — апериодические явления (фазовый портрет — незамкнутая кривая, заметающая некоторую площадь более или менее равномерно, аттрактор).
  • квазистационарные — явления, которые, строго говоря, нестационарны, но характерный масштаб их эволюции много больше тех времён, которые интересуют в задаче.

Большинство современных учёных полагают, что различие между прошлым и будущим является принципиальным. Согласно современному уровню развития науки, информация переносится из прошлого в будущее, но не наоборот. Второе начало термодинамики указывает также на накопление в будущем энтропии.

Впрочем, некоторые ученые думают немного иначе. Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр» оспаривает утверждение, что для физических законов существует различие между направлением «вперёд» и «назад» во времени. Хокинг обосновывает это тем, что передача информации возможна только в том же направлении во времени, в котором возрастает общая энтропия Вселенной. Таким образом, Второй закон термодинамики является тривиальным, так как энтропия растет со временем, потому что мы измеряем время в том направлении, в котором растет энтропия.

Единственность прошлого считается весьма правдоподобной. Мнения учёных касательно наличия или отсутствия различных «альтернативных» будущих различны.

Измерение времени основано на вращении Земли вокруг своей оси и на обращении ее вокруг Солнца. Эти процессы непрерывно совершаются в природе и имеют достаточно постоянные периоды повторения, что позволяет использовать их в качестве естественных единиц измерения времени. Кроме указанных естественных процессов, для измерения времени пользуются различными искусственно создаваемыми процессами, имеющими стабильный период повторения, например колебания маятника или колебания кварцевой пластинки, помещенной в высокочастотное электрическое поле.

До недавнего времени считалось, что период вращения Земли строго постоянен, и поэтому предполагалось, что самые идеальные часы – это вращающаяся Земля. Ныне доказано, что скорость вращения Земли не является абсолютно постоянной. Поэтому для точного измерения времени стали использовать другие естественные процессы, постоянство периодичности которых превосходит постоянство периода вращения Земли. Такими процессами являются собственные колебания молекул и атомов некоторых веществ. С помощью молекулярных и атомных часов удается измерять время с точностью 10-9. Применение высокоточных атомных часов позволило определить неравномерность вращения Земли. Атомные и молекулярные часы очень сложны и применяются в тех областях науки и техники, где нужна очень высокая точность измерения времени.

Астрономические методы измерения времени отличаются своей простотой и широко применяются в практике для проверки часов по скорости вращения Земли с точностью, удовлетворяющей многие современные практические и научные требования. При измерении времени астрономическими методами основными единицами являются сутки и год.

Сутками называется промежуток времени, в течение которого Земля совершает полный оборот вокруг своей оси относительно какой-нибудь точки на небесной сфере. Сутки делятся на 24 ч, час – на 60 мин, минута – на 60 с, секунда – на десятые, сотые и более мелкие доли. Для измерения больших промежутков времени служит другая единица – тропический год, соответствующий периоду обращения Земли вокруг Солнца.

В астрономии применяются три различных единицы измерения времени: звездные, истинные солнечные и средние солнечные сутки. Время, измеряемое этими единицами, называется соответственно звездным, истинным солнечным и средним солнечным временем.

Продолжительность суток зависит от того, относительно какой точки на небесной сфере определяется период вращения Земли вокруг своей оси. За точки, по которым определяется продолжительность суток, принимаются: точка весеннего равноденствия, центр истинного или центр среднего Солнца. За начало суток принимается момент верхней (или нижней) кульминации избранной точки на данном меридиане. Название времени принято давать в зависимости от названия меридиана, на котором оно определяется, и названия точки, выбранной для определения периода вращения Земли. Например, местное звездное время, гринвичское истинное солнечное время

Время – деньги!
Время – деньги!