Времето: понятие, измерване, история и роля във физиката

Научете всичко за времето: понятие, измерване, история и роля във физиката — от слънчеви часовници до атомни стандарти и пространство-времеви концепции.

Времето е безкрайният непрекъснат ход на съществуването и събитията. То протича по необратим начин от миналото през настоящето към бъдещето.

За измерване на времето можем да използваме всичко, което се повтаря редовно. Пример за това е началото на новия ден (когато Земята се върти около оста си). Други два примера са фазите на Луната (докато тя обикаля около Земята) и годишните сезони (докато Земята обикаля около Слънцето). Още в древността хората са разработили календари, за да следят броя на дните в годината. Разработили са и слънчеви часовници, които са използвали движещите се сенки, хвърляни от Слънцето през деня, за да измерват време, по-малко от един ден. Днес високоточните часовници могат да измерват време, по-малко от една милиардна част от секундата. Изследването на измерването на времето е хорология.

Единицата за време в Международната система единици (SI) е една секунда, изписвана като s.

В Айнщайновата физика времето и пространството могат да бъдат обединени в едно понятие. Вижте пространствено-времеви континуум.

Как се измерва времето днес

Днес стандартът за секунда е дефиниран чрез свойствата на атомите. В Международната система SI секунда е продължението на точно 9 192 631 770 периода на радиацията, която съответства на прехода между двете хиперфинни нива на основното състояние на атома на цезий-133. Това определение позволява изработването на изключително точни атомни часовници, които поддържат времето с отклонения от порядъка на 10^-15–10^-18 и дори по-малко при най-новите оптични часовници.

Съвременните системи за глобално позициониране (GPS) и комуникациите разчитат на прецизни часовници и на синхронизация на времето. За международната гражданска синхронизация се използва координирано универсално време (UTC), което се поддържа чрез международни стандарти и периодично се коригира с скокови секунди (leap seconds), за да остане съвместимо с въртенето на Земята.

История на измерването на времето

• Древни методи: наблюдение на слънце и звезди, календари, слънчеви часовници и водни часовници (клепсидри).
• Средновековие и Ренесанс: механични часовници, по-късно с махало (Кристиан Хюйгенс) за по-голяма точност.
• XX век: кварцови часовници и по-късно атомни часовници (цезиеви) — голям скок в прецизността.
• XXI век: оптични часовници (на базата на оптични преходи в единични йони или в оптични решетки), които обещават още по-добра стабилност и точност и могат да доведат до преформулиране на дефиницията на секундата.

Единици на време и обичайни порядъци

Освен секундата често използвани единици са минута (60 s), час (3600 s), ден (≈86 400 s), година (≈31,56 млн. s). В научната работа се работи и с много по-малки интервали: милисекунди (10^-3 s), микросекунди (10^-6 s), наносекунди (10^-9 s), пикосекунди (10^-12 s) и др.

Роля на времето във физиката

Времето е ключово понятие във всички области на физиката:

• Класическа механика: времето обикновено се разглежда като абсолютен параметър, който тече еднакво за всички наблюдатели (ньтониански модел).
• Специална и обща теория на относителността: времето не е универсално — то зависи от скоростта на наблюдателя и от гравитационното поле. Ефекти като времево разширение (time dilation) и относителност на едновременността са експериментално потвърдени; гравитационното забавяне на времето е важно при работа на сателитни системи като GPS.
• Термодинамика и стрелата на времето: макроскопичната посока "от минало към бъдеще" често се свързва със закона за нарастване на ентропията. Много микроскопични уравнения са симетрични по отношение на замяна на времето T → −T, но статистическите процеси водят до необратимост на макроскопично ниво.
• Квантова механика: времето обикновено се третира като параметър (а не като оператор), но съществуват и изследвания върху концепцията за квантово време, време като наблюдаема величина и проблемите при комбинирането на квантовата механика с гравитацията.
• Космология: времето е свързано с начало (Големия взрив) и с евентуални модели на бъдещето на Вселената; понятието за "космическо време" се използва в описания на динамиката на разширяващата се вселена.

Времето в ежедневието и биологията

Човешкото възприятие на времето е сложна смес от сетивни усещания и когнитивни процеси. Биологични ритми като циркадния ритъм регулират съня, бодърстването и други физиологични процеси чрез биологични "биологични часовници". Социално-временните структури — календари, работни графици, транспорт — осигуряват синхронизация между хората.

Практически приложения и предизвикателства

Прецизните измервания на времето са в основата на телекомуникациите, финансовите пазари, навигацията, науката и промишлените процеси. Предизвикателства включват поддържане на глобална синхронизация, управление на скоковите секунди, и възможната бъдеща промяна в дефиницията на секундата при навлизане на още по-прецизни оптични часовници.

Бележка за терминологията: докато в народната реч понякога се среща думата "хорология", в научния контекст точният термин за изучаване и измерване на времето е хронометрия (chronometry). За подреждане на събития във времето се използва "хронология".

Въпроси и отговори

В: Какво е времето?

В: Как можем да измерим времето?

В: Какво са разработили хората в древността, за да следят броя на дните в годината?

В: Какво са разработили хората в древността, за да измерват време, по-малко от един ден?

В: Колко точно могат да измерват времето часовниците днес?

Въпрос: Как се нарича науката за измерване на времето?

В: Коя е единицата за време в системата SI?

Търсене по буква