Що таке час: визначення, теорії та його вимірювання?

Що таке час: визначення, теорії та його вимірювання? (Photo: www.sciencefocus.com/)

Важко преоцінити що таке час і що він для нас означає. Час навколо нас — він завжди присутній і є основою того, як ми фіксуємо життя на Землі. Це константа, яка підтримує світ, Сонячну систему і навіть Всесвіт.   

Цивілізації з’явилися й занепадали, зірки народжувалися й згасали, і наш єдиний спосіб відстежувати кожну подію у Всесвіті та на Землі — порівнювати їх із сьогоденням із закономірним плином часу. Але чи справді час це константа? Чи справді час такий простий, як рух від секунди до секунди? 

Приблизно 13,8 мільярдів років тому зародився Всесвіт, і з тих пір час пролетів до наших днів, спостерігаючи за створенням галактик і розширенням космосу. Але коли справа доходить до порівняння часу, страшно усвідомлювати, наскільки мало його ми насправді пережили.  

Вік Землі може бути біля 4,5 мільярда років, але сучасні люди населяють планету приблизно протягом 300 000 років — це лише 0,002% віку Всесвіту. Відчуваєте себе маленьким і нікчемним? Ми пережили так мало часу на Землі, що в астрономічних термінах ми зовсім незначні.    

Що таке формалін: де використовують та його небезпека

Що таке час?

Теорія Ньютона

У 17 столітті фізик Ісаак Ньютон бачив час як стрілу, випущену з лука, що рухається по прямій прямій і ніколи не відхиляється зі свого шляху. Для Ньютона одна секунда на Землі була такою ж тривалістю, як та сама секунда на Марсі, Юпітері або в глибокому космосі. 

Він вважав, що абсолютний рух неможливо виявити, а це означає, що ніщо у Всесвіті не має постійної швидкості, навіть світло. Застосовуючи цю теорію, він зміг припустити, що якщо швидкість світла може змінюватися, то час має бути постійним. Час має йти від однієї секунди до наступної, без різниці між довжиною будь-яких двох секунд. Це те, про що легко подумати, що це правда. Кожен день має приблизно 24 години; у вас немає одного дня з 26 і одного з 23 годинами.   

Теорія Ейнштейна

Однак у 1905 році Альберт Ейнштейн стверджував, що швидкість світла не змінюється, а скоріше є постійною, світло рухається зі швидкістю приблизно 186 282 милі на секунду (299 792 кілометри на секунду). Він стверджував, що час більше схожий на річку, яка тече залежно від впливу гравітації та простору-часу. Час прискорювався б і сповільнювався навколо космологічних тіл з різною масою і швидкістю, і тому одна секунда на Землі була не однаковою проміжком часу всюди у Всесвіті. 

Що таке час (Photo: www.express.co.uk)
Що таке час (Photo: www.express.co.uk)

Це створило проблему. Якщо швидкість світла дійсно була постійною, то мала бути якась змінна величина, яка змінювалася на великих відстанях у Всесвіті. Оскільки Всесвіт розширюється, а планети й галактики рухаються у величезних масштабах, треба було щось дати, щоб урахувати ці невеликі коливання. І цією змінною мав бути час.

Що таке час та його постійність – експеремент Гафеле і Кітінга

Зрештою, теорія Ейнштейна не тільки вважалася правдою, але й виявилася цілком точною. У жовтні 1971 року два фізики на ім’я Дж. К. Гафеле і Річард Кітінг вирішили довести її справедливість. Для цього вони літали з чотирма цезієвими атомними годинниками на літаках по всьому світу, на схід, а потім на захід. 

Неймовірно, але годинники дійсно зареєстрували різницю під час подорожей на схід і захід навколо світу — приблизно на 59 наносекунд повільніше і на 273 наносекунди швидше, відповідно, порівняно з місцем відправлення. Це довело, що Ейнштейн був правий, зокрема зі своєю теорією сповільнення часу , і що час дійсно коливався по всьому Всесвіту.  

Згідно з теорією Ейнштейна, у порівнянні з наземними атомними годинниками повітряні годинники Гафеле та Кітінга будуть приблизно на 40 наносекунд повільнішими після їхньої подорожі на схід і приблизно на 275 наносекунд швидше після подорожі. захід, через гравітаційний вплив Землі на швидкість літаків. 

Що таке час та його постійність - експеремент Гафеле і Кітінга (Photo: http://www.conspiracyoflight.com/)
Що таке час та його постійність – експеремент Гафеле і Кітінга (Photo: http://www.conspiracyoflight.com/)

Фізика в житті сучасної людини: 10 прикладів

Що відбувається під час розширення часу?

Що означає теорія спеціальної відносності з точки зору часу? Спершу ознайомтеся з нашим поясненням спеціальної теорії відносності, щоб по-справжньому зрозуміти загальмованість часу.

Однак Ньютон і Ейнштейн були одностайні в одному — час рухається вперед. Поки що немає жодних доказів у Всесвіті, що могло б дозволити часу рухатися вперед і назад за бажанням. 

Зрештою, все рухається вперед у часі, будь то з регулярним темпом або злегка деформованим, якщо воно наближається до швидкості світла. Але чому час пливе вперед? 

Вчені не впевнені, але у них є кілька теорій, щоб пояснити це. Одна з них наводить закони термодинаміки, зокрема другий закон. Він стверджує, що все у Всесвіті хоче перейти від низької до високої ентропії або від однорідності до безладу, починаючи з простоти під час Великого вибуху і переходячи до майже випадкового розташування галактик та їхніх об’єктів у наш час. Це відоме як «стріла часу», ймовірно, придумане британським астрономом Артуром Еддінгтоном у 1928 році.       

Еддінгтон припустив, що час не є симетричним: «Якщо, слідуючи за стрілкою, ми знаходимо все більше й більше випадкових елементів у стані світу, то стрілка вказує на майбутнє; якщо випадковий елемент зменшується, стрілка вказує у минуле», — писав він у « Природі фізичного світу » у 1928 році. Наприклад, якби ви спостерігали майже однорідну зірку, але пізніше побачили, як вона вибухнула у вигляді наднової і стала розсіяною туманністю, ви б дізналися той час перейшов від однорідності до хаосу. 

Інша теорія припускає, що плин часу пов’язаний з розширенням Всесвіту. Оскільки Всесвіт розширюється, він тягне за собою час, оскільки простір і час пов’язані як одне ціле; але це означало б, що якщо Всесвіт досягне теоретичної межі розширення й почне стискатися, то час повернеться назад — невеликий парадокс для вчених та астрономів. Чи справді час повернеться назад, коли все повернеться в епоху простоти і закінчиться Великим вибухом? Навряд чи ми зможемо це з’ясувати, але вчені можуть припустити, що може статися. 

Неймовірній прогрес досягнуто людством у нашому розумінні часу за минуле століття. Ми перейшли від стародавніх сонячних годинників, що показують час, до сучасних атомних годинників, ми навіть можемо відстежувати плин секунди точніше, ніж будь-коли раніше. Питання що таке ча залишається складною темою, але завдяки науковим провидцям ми стаємо ближчими до розкриття таємниць цієї не дуже постійної універсальної константи.  

Якою була еволюція приладів для вимірювання часу?

Значення спеціальної теорії відносності Ейнштейна

Ейнштейнова теорія відносності спирається на один ключовий факт: Швидкість світла однакова незалежно від того, як ви дивитеся на нього. Щоб застосувати це на практиці, уявіть, що ви їдете в автомобілі зі швидкістю 20 миль/год (32 км/год) і проїжджаєте повз друга, який стоїть на місці. Коли ви проїзджаєте його, ви кидаєте м’яч перед автомобілем зі швидкістю 10 миль/год (16 км/год).    

Для вашого друга швидкість м’яча поєднується зі швидкістю автомобіля, тому здається, що він рухається зі швидкістю 30 миль/год (48 км/год). Однак щодо вас м’яч рухається лише зі швидкістю 10 миль на годину, оскільки ви вже рухаєтеся зі швидкістю 20 миль на годину.

А тепер уявіть собі той самий сценарій, але цього разу ви повз нерухомого друга рухаєтеся з половиною швидкості світла. Цього разу ви світите промінь світла з лобового скла автомобіля. 

У нашому попередньому розрахунку ми додали швидкість м’яча і автомобіля, щоб дізнатися, що бачив ваш друг, тож у цьому випадку, чи бачить ваш друг промінь світла, що рухається зі швидкістю в півтора рази більшою від швидкості світла? 

За словами Ейнштейна, відповідь – ні. Швидкість світла завжди залишається постійною, і ніщо не може рухатися швидше за неї. У цьому випадку ви і ваш друг спостерігаєте швидкість світла, що рухається на загальноприйнятому значенні приблизно 186 282 милі на секунду. Це теорія спеціальної відносності, і вона дуже важлива, коли говорити про час.

Час – четвертий вимір Всесвіту

Колись на запитання що таке час – вам би відповіли, що простір і час розділені, і що Всесвіт — це просто набір космічних тіл, розташованих у трьох вимірах. Але Ейнштейн ввів концепцію четвертого виміру – часу — це означало, що простір і час були нерозривно пов’язані. Загальна теорія відносності припускає, що простір-час розширюється і стискається залежно від імпульсу і маси довколишньої матерії. Теорія була вірною, але все, що було потрібно, це докази.  

Перший доказ був наданий гравітаційним зондом NASA B , який продемонстрував, що простір і час дійсно пов’язані. Чотири гіроскопи були спрямовані в напрямку далекої зірки, і якби гравітація не впливала на простір і час, вони залишалися б заблокованими в тому ж положенні. Проте вчені чітко помітили ефект «перетягування кадру» через гравітацію Землі. Це доводить, що саму тканину простору можна змінити, і якщо простір і час пов’язані, то сам час може бути розтягнутий і стиснутий під дією гравітації.   

Що таке час: скільки триває секунда?

Існує два основних способи вимірювання часу: динамічний і атомний час. Перший покладається на рух небесних тіл, включаючи Землю, для відстеження часу, будь то час обертання далекої зірки, рух зірки по нашому нічному небу чи обертання Землі. Однак, ці методи не завжди є цілком точними. 

Старе визначення секунди було засноване на обертанні Землі. Оскільки сонцю потрібно один день, щоб зійти на сході, зайти на заході і знову зійти, день майже довільно розділили на 24 години, годину на 60 хвилин і хвилину на 60 секунд. Однак Земля обертається нерівномірно. Її обертання зменшується зі швидкістю приблизно 30 секунд кожні 10 000 років. Вчені винайшли способи врахувати зміну швидкості обертання Землі, вводячи високі секунди», але для найточнішого часу потрібно брати ще менше. 

Атомний час залежить від переходу енергії всередині атома певного елемента, зазвичай цезію. Визначаючи секунду, використовуючи кількість цих переходів, час можна виміряти з точністю, що втрачає крихітну частину секунди за мільйон років. Визначення секунди тепер визначається як 9 192 631 770 переходів всередині атома цезію, повідомляє Scientific American 

Атомні годинники: найточніше відстеження часу (Photo: www.timeanddate.com)
Атомні годинники: найточніше відстеження часу (Photo: www.timeanddate.com)

Атомні годинники: найточніше відстеження часу

Найточнішим годинником у Всесвіті, ймовірно, буде зірка, що обертається, як пульсар, але на Землі атомні годинники забезпечують найточніший відстеження часу. Вся система GPS на орбіті навколо Землі використовує атомні годинники для точного відстеження позицій і передачі даних на планету, тоді як цілі наукові центри створені для обчислення найточнішої міри часу — зазвичай, вимірюючи переходи всередині атома цезію.   

У той час як більшість атомних годинників покладаються на магнітні поля, сучасні годинники використовують лазери для відстеження та виявлення енергетичних переходів у атомах цезію та більш точного вимірювання часу. Хоча цезієві годинники в даний час використовуються для вимірювання часу в усьому світі, стронцієві годинники обіцяють вдвічі більшу точність, тоді як експериментальний дизайн, заснований на заряджених атомах ртуті, може ще більше зменшити розбіжності до менш ніж 1 секунди, втраченої або отриманої за 400 мільйонів років.   

Джерело: https://www.livescience.com

Подібні новини