物理學的時間
在物理,時間由其定義測量:時間是什麼鐘閱讀。[1]在經典的非友善物理學中,它是一個標量數量(通常用符號表示),就像長度,大量的, 和收費,通常被描述為基本數量。時間可以與其他物理數量至派生其他概念,例如運動,動能和時間依賴字段.計時是技術和科學問題的複雜,也是保持記錄中.
時間標記
在有時鐘之前,通過這些物理過程來衡量時間[2]每個文明時期都是可以理解的:[3]
- 首次出現(請參閱:螺旋升上升) 的小天狼星標記尼羅河的洪水每年[3]
- 週期性的繼承夜晚和天,看似永恆[4]
- 在黎明時首次出現太陽的地平線上的位置[5]
- 太陽在天空中的位置[6]
- 瞬間的標記中午白天[7]
- 陰影的長度由gnomon[8]
最終,[9][10]可以用儀器的時間來表徵操作定義。同時,我們的時間概念已經發展,如下所示。[11]
時間的測量單位:第二個
在裡面國際單位體系(si),時間單位是第二(象徵:)。它是一個SI基礎單元,自1967年以來被定義為“持續時間9,192,631,770[週期]輻射對應於兩者之間的過渡超細水平的基態的銫133原子”。[12]該定義基於剖宮產的操作原子鐘。這些時鐘大約在1955年之後用作主要參考標準,從那以後一直使用。
計時的最新狀態
這世界標準時間時間戳在全球使用中是原子時間標準。這種時間標準的相對準確性目前為10-15[13](對應於大約3000萬年的1秒)。從理論上可觀察到的最小時間步驟稱為普朗克時間,大約5.391×10-44秒 - 低於當前時間標準的分辨率的許多數量級。
這剖宮產1950年後,當電子產品的進步實現了對其生成的微波頻率的可靠測量時,變得實用。隨著進一步的進展,原子鐘研究已經發展到更高的頻率,可以提供更高的準確性和更高的精度。已經開發了基於這些技術的時鐘,但尚未用作主要參考標準。
時間的概念
伽利略,牛頓,直到20世紀,大多數人都認為到處都是時代的時間相同。這是時間表的基礎,時間是時間範圍。對時間的現代理解是基於愛因斯坦相對論,在哪個時間率不同,具體取決於相對運動,並且空間和時間合併到時空,我們住在一個世界線而不是時間表。在此觀點時間是協調。根據盛行宇宙學模型的大爆炸理論,時間本身是作為整個整體的一部分開始的宇宙大約138億年前。
自然界的規律性
為了衡量時間,可以記錄某些事件的數量(事件)週期性現象。定期復發季節, 這動作的太陽,月亮和星星被注意到並在數千年中列出物理定律被配製。太陽是時間流的仲裁者,但是時間僅知道小時為了數千年,因此,使用gnomon尤其是在世界上大多數地方歐亞大陸,至少向南至東南亞.[15]
特別是,為了宗教目的而維持的天文學觀測值足夠準確,可以確定星星的常規動作,甚至是某些行星。
首先,計時是由祭司手工完成的,然後是貿易,守望者將時間作為其職責的一部分。列表春分, 這沙棒,和水時鐘變得越來越準確,最終變得可靠。對於海上的船隻,男孩被用來轉身沙龍並打電話給小時。
機械時鐘
沃靈福德的理查德(1292–1336),聖奧爾本修道院的住持,著名地建造了機械時鐘作為天文學Orrery大約1330。[16][17]
到沃靈福德的理查德時代,棘輪和齒輪允許歐洲城鎮創建機制,以在各自的城鎮時鐘上展示時間;到科學革命時期,時鐘變得足夠小,以使家庭分享個人時鐘或袖珍手錶。起初,只有國王能負擔得起。擺時鐘在18世紀和19世紀被廣泛使用。它們在很大程度上被一般用途替換為石英和數字時鐘.原子鐘理論上可以在數百萬年內保持準確的時間。它們適合標準和科學用途。
伽利略:時間流
1583年,伽利略·伽利雷(1564–1642)發現擺的諧波運動有一個恆定的時期,他通過計時搖動燈的運動來學到諧波運動在大量的在大教堂比薩, 與他的脈衝.[18]
在他的兩個新科學(1638),伽利略使用水時鐘測量青銅球所花費的時間將已知距離向下滾動斜面;這個時鐘是:[19]
...放置在高位的大型水容器;到達該容器的底部,將一根小直徑的管焊接出來,給出了一條稀薄的水,我們在每個下降時(無論是在通道的整個長度還是長度的一部分)中收集的小玻璃中。每次下降後,都以非常準確的平衡來稱量所收集的水。這些權重的差異和比率為我們帶來了時間的差異和比率,並且如此準確,儘管操作經過了很多次,但結果沒有明顯的差異。
伽利略的實驗設置,以衡量字面時間流為了描述球的運動,艾薩克·牛頓在他的說法原理,“我不定義時間,空間,地方和運動,眾所周知。”[20]
牛頓的物理學:線性時間
在1665年左右,什麼時候艾薩克·牛頓(1643–1727)得出了落在下面的物體的運動重力,第一個明確的配方數學物理學時間的處理開始:線性時間,被認為是通用時鐘.
絕對,真實和數學時間本身,從其本性的本性平均流動而無需考慮外部的任何事物,而其他名稱稱為持續時間:相對,顯而易見和常見的時間是某種明智的和外部的(無論是準確還是不公平))通過運動方式測量持續時間,這是通常使用的,而不是真實的時間;例如一個小時,一天,一個月,一年。[21]
這水時鐘伽利略描述的機制已設計為提供層流實驗過程中的水,因此在實驗的持續時間內提供了恆定的水流,並體現了牛頓所謂的東西期間.
在本節中,下面列出的關係將時間視為一個參數,它是所考慮物理系統行為的索引。因為牛頓流利請客線性時間流(他叫什麼數學時間),可以認為時間是線性變化的參數,這是時鐘面上小時的抽象。然後可以將日曆和船舶的原木映射到小時,天,幾個月,幾個世紀的三月。
熱力學和不可逆性的悖論
到1798年,本傑明·湯普森(1753–1814)發現工作可以轉變為熱沒有極限 - 能源保護或
1824年薩迪·卡諾(Sadi Carnot)(1796–1832)科學分析了蒸汽機與他的Carnot循環,抽象引擎。魯道夫·克勞西烏斯(Rudolf Clausius)(1822–1888)指出了一種疾病的量度,或熵,這會影響Carnot Engine可用的不斷減少的自由能量:
因此,在任何給定的溫度下,熱力學系統的持續遊行,從較小到更大的熵都定義了時間的箭頭。尤其是,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)標識三個箭頭:[22]
- 時間的心理箭頭 - 我們對不可阻止的流程的看法。
- 時間的熱力學箭頭 - 以生長的形式區分熵.
- 時間的宇宙箭頭 - 以宇宙的擴展為特色。
隨著時間的流逝,熵在一個孤立的熱力學系統中增加。相比之下,ErwinSchrödinger(1887–1961)指出生活取決於一個“負熵流”.[23]Ilya Prigogine(1917–2003)指出,像生命一樣,其他遠離平衡的熱力學系統也可以表現出穩定的時空結構,這些結構回想起壽命。不久之後,Belousov – Zhabotinsky反應[24]據報導,在化學溶液中證明了振蕩的顏色。[25]這些非平衡熱力學分支到達分叉點,這是不穩定的,另一個熱力學分支取代了穩定。[26]
電磁和光速
1864年,詹姆斯·克萊克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)(1831- 1879年)提出了一個合併的理論電和磁性。他將與這兩個現像有關的所有法律結合在一起,分為四個方程式。這些方程稱為麥克斯韋方程為了電磁學;它們允許以電磁波的形式進行溶液,並以固定速度傳播,c,無論產生它們的電荷的速度如何。
預計光總是速度行駛的事實c如果假定麥克斯韋的方程式在任何方面都有慣性框架(具有恆定速度的參考框架),因為伽利略變換預測了觀察者在光線傳播(或反平行)向光的參考框架中降低(或增加)的速度。
預計會有一個絕對的參考框架發光的以太,其中麥克斯韋的方程式以已知形式未經修改。
這Michelson – Morley實驗由於地球相對於發光體的運動的運動,未能檢測到光的相對速度的任何差異,這表明麥克斯韋的方程實際上確實在所有框架中都保持。1875年,Hendrik Lorentz(1853–1928)發現了洛倫茲的變換,這使麥克斯韋的方程式保持不變,使米歇爾森和莫利的負面結果可以解釋。HenriPoincaré(1854–1912)指出了洛倫茲轉型的重要性,並普及了它。特別是,可以在科學與假設,[27]它是在愛因斯坦(Einstein)1905年的文章之前發表的。
洛倫茲的轉換預測了空間收縮和時間擴張;直到1905年,由於對以太的移動的物體的物理收縮,由於對以太的移動,由於對以太的移動,因此(電性)(電性質)的變化,而後者被認為只是數學規定。
愛因斯坦的物理學:時空
艾爾伯特愛因斯坦1905年特殊相對論挑戰了絕對時間的概念,只能提出一個定義同步對於標誌著線性時間流的時鐘:
如果在空間A點A有一個時鐘,則通過查找與這些事件同時同時使用的手的位置來確定A直接接近事件的事件的時間值。如果在空間B處有其他時鐘在所有方麵類似於A處的時鐘,則B處的觀察者有可能確定B。
但是,如果沒有進一步的假設,就不可能在時間上與A與B的事件進行比較。到目前為止,我們只定義了“ a a”和“ b時間”。
我們尚未定義A和B的常見“時間”,因為除非我們建立,否則根本無法定義後者根據定義光線從A到B所需的“時間”等於它需要從B到A的“時間”。t一個從A向B,讓它在“ B時間”tB在A方向上反映在B,然後再次到達A處的A。t′一個.
根據定義,兩個時鐘同步如果
我們假設對同步的定義是沒有矛盾的,並且對於任何數量的要點都是可能的。並且以下關係是普遍有效的: -
- 如果B處的時鐘與時鐘同步在A中,則時鐘與時鐘同步。
- 如果a的時鐘與時鐘同步在B處,也與C處的時鐘同步,則B和C處的時鐘也相互同步。
- 阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein),“關於移動身體的電動力學”[28]
愛因斯坦(Einstein定義按時間和時間和時間:
- 在哪裡r是位置和t是時間。
確實,洛倫茲轉換(對於相對運動中的兩個參考幀,x軸定向相對速度的方向)
可以說,以類似於歐幾里得旋轉的方式“混合”空間和時間z軸混合x和y坐標。結果包括同時性的相對論.

更具體地說,洛倫茲的轉化是雙曲線旋轉這是四維中坐標的變化Minkowski空間,其中的維度是CT。 (在歐幾里得空間普通旋轉是坐標的相應變化。)光速c可以將其視為所需的轉換因子,因為我們在不同單元中測量時空的尺寸;自從儀表目前是根據第二個定義的,它具有精確的的價值299 792 458 m/s。例如,如果我們在航海里程和腳深度為寬度的寬度時,我們將需要類似的歐幾里得空間因素。在物理學中,有時測量單位c= 1用於簡化方程。
顯示“移動”參考框架中的時間比以下關係顯示的時間比“靜止”的時間更慢(可以通過放置∆來得出lorentz的轉換。x'= 0,∆τ= ∆t'):
在哪裡:
- ∆τ是在同一位置發生的移動參考框架中測得的兩個事件之間的時間(例如,移動時鐘上的兩個刻度);稱為恰當的時機在兩個事件之間;
- ∆t是這兩個事件之間的時間,但按照固定參考框架進行了測量;
- v是移動參考框架相對於固定的速度的速度;
- c是個光速.
因此,移動物體被說顯示時間較慢。這被稱為時間擴張.
這些轉換僅適用於兩個幀持續的相對速度。天真地將它們應用於其他情況會產生這種情況悖論作為雙胞胎悖論.
該悖論可以使用例如愛因斯坦的相對論一般理論,使用里曼尼亞的幾何形狀,在加速的非固體參考框架中的幾何形狀。僱用度量張量描述Minkowski空間:
愛因斯坦為洛倫茲的轉化開發了一種幾何解決方案麥克斯韋方程。他的字段方程在給定區域中的空間和時間測量之間有確切的關係時空以及該區域的能量密度。
愛因斯坦的方程式預測,應通過存在時間來改變時間引力場(請參閱Schwarzschild指標):
在哪裡:
- 是個重力時間擴張一個物體的距離.
- 是坐標時間的變化或坐標時間間隔。
- 是個引力常數
- 是個大量的生成字段
或者可以使用以下更簡單的近似:
也就是說,重力場越強(因此,加速度),時間越慢。時間擴張的預測通過粒子加速度實驗和宇宙射線證據,移動顆粒衰減更慢比他們的精力不足的對手。引力時間擴張引起了現象重力紅移和夏皮羅信號旅行時間延遲附近的巨大物體,例如太陽。這全球定位系統還必須調整信號以說明此效果。
根據愛因斯坦的相對論一般理論,一個自由移動的粒子可以追溯到時空中的歷史,可最大限度地提高其適當的時間。這種現像也稱為最大衰老的原理,並由泰勒和惠勒作為:[29]
- “極端衰老的原理:空間中的兩個事件之間的自由對像是這些事件之間的時間流逝(記錄在對象的手錶上)的路徑,這是一個極值。”
愛因斯坦的理論是由宇宙中的每個點都視為“中心”的假設的動機,並且相應地,物理學必須在所有參考框架中採取相同的作用。他簡單而優雅的理論表明,時間與慣性框架。在慣性框架中牛頓的第一定律持有;它具有自己的本地幾何形狀,因此自己的空間和時間的測量;沒有“通用時鐘”。至少必須在兩個系統之間執行同步行為。
量子力學的時間
方程中有一個時間參數量子力學。這Schrödinger方程[30]是
一個解決方案可以是
- .
但是Schrödinger圖片上面顯示的等同於海森伯格圖片,它與古典力學的泊松支架相似。這泊松支架被非零取代換向器,說[h,a]可觀察A和Hamiltonian H:
這個方程表示不確定性關係在量子物理學中。例如,時間(可觀察的a),活力E(來自漢密爾頓H)給出:
- 在哪裡
- 是能量的不確定性嗎
- 是時間的不確定性
- 是普朗克的不變
更多恰恰一個衡量的持續時間事件順序,較少的人可以測量與該序列相關的能量,反之亦然。該方程與標準不確定性原理不同,因為時間不是操作員在量子力學中。
相應的換向器關係也保持勢頭p和位置q, 哪個是共軛變量彼此之間的動量和位置中的相應不確定性原理,類似於上面的能量和時間關係。
量子力學解釋了週期表的元素。從...開始奧托·斯特恩'沙沃爾特·格拉赫(Walter Gerlach)實驗分子梁在磁場中,Isidor Rabi(1898–1988),能夠調製光束的磁共振。1945年,拉比(Rabi)建議這種技術是時鐘的基礎[31]使用共振頻率原子束。在2021年,科羅拉多州博爾德的吉拉(Jila)時間擴張在雲原子云的頂部的光學晶格時鐘的速率差異,而不是在該雲的底部,在重力的影響下,一列高1毫米。[32]
動力系統
可以說時間是參數化一個動力系統這允許系統的幾何形狀被體現和操作。有人斷言時間是隱含的結果混亂(IE。非線性/不可逆性): 這特徵時間,或率信息熵生產,系統.mandelbrot在他的書中介紹了內在的時間多胎1/f噪聲.
時間晶體
Khemani,Moessner和Sondhi將時間晶體定義為“穩定,保守,宏觀的時鐘”。[33]:7
信號
信號是一種應用電磁波如上所述。通常,信號是溝通在聚會和地方之間。一個例子可能是黃色絲帶綁在樹上或鈴聲教堂鐘。信號可以是對話,涉及一個協議。另一個信號可能是小時手在城市時鐘或火車站上的位置。有興趣的一方可能希望查看該時鐘,以了解時間。看:時間球,一種早期形式時間信號.
作為觀察者,只要我們居住在他們的地方,我們仍然可以向不同的各方和地方發出信號過去的光錐。但是我們無法收到來自我們之外的各方和地方的信號過去的光錐。
以及電磁波方程式的配方電信可以建立。
在19世紀電報,電路,有些跨越大陸和海洋,可以傳播代碼 - 簡單的點,破折號和空間。由此,出現了一系列技術問題。請參閱類別:同步。但是可以肯定地說,我們的信號系統只能是大約同步, 一個浮雕條件,從中抖動需要消除。
就是說,系統能夠使用諸如此類的技術進行同步(在工程近似值)全球定位系統。GPS衛星必須考慮其電路中引力和其他相對論因素的影響。看:自我鎖定信號.
計時標準的技術
這主要時間標準在美國目前NIST-F1, 一個激光 - 冷卻CS噴泉,[34]一系列時間和頻率標準中的最新標準氨 - 基於原子鐘(1949年)銫基於NBS-1(1952)至NIST-7(1993)。各個時鐘的不確定性從每天10,000納秒秒降至5年的每天0.5納秒。[35]在2001年,NIST-F1的時鐘不確定性為0.1納秒/天。正在開發越來越準確的頻率標準標準。
在此時間和頻率標準中,將剖宮產的群體冷卻至一個溫度Microkelvin。原子在一個由六個激光器形狀的球中收集,每個空間尺寸為兩個,垂直(向上/向下),水平(左/右)和向後移動。垂直激光器通過微波腔推動剖腹球。隨著球的冷卻,剖宮產將冷卻至其基態,並以其固有頻率發出光,在定義中指出第二多於。在剖宮產的排放中,有11種物理效應,然後在NIST-F1時鐘中得到控制。據報導這些結果BIPM.
另外,參考氫mas還報導了BIPM作為頻率標準太極(國際原子時間)。
時間的測量由BIPM(國際局Poids等人), 位於塞維爾,法國,確保測量的統一性及其可追溯性國際單位體系(si)全球。BIPM根據儀表約定這是一項五十一個國家之間的外交條約,即公約的成員國,通過一系列諮詢委員會,其成員是各自的國家計量學實驗室。
宇宙學的時間
一般相對論的方程預測了非靜態宇宙。但是,愛因斯坦僅接受靜態宇宙,並修改了愛因斯坦場方程,以通過添加宇宙常數,他後來將其描述為他一生中最大的錯誤。但是在1927年,喬治·萊瑪特(GeorgesLemaître)(1894- 1966年)認為一般相對論,宇宙起源於原始爆炸。在第五Solvay會議,那一年,愛因斯坦用“Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable."[36](“您的數學是正確的,但是您的物理學是可惡的”)。1929年,埃德溫哈勃(1889–1953)宣布發現擴展宇宙。當前公認的宇宙學模型,Lambda-CDM模型,具有積極的宇宙常數,因此不僅是不斷擴大的宇宙,而且是一個加速不斷擴大的宇宙。
如果宇宙在擴張,那麼過去一定要小得多,因此更熱且濃密。喬治·戈諾夫(1904–1968)假設元素週期表中的元素的豐度可能是由熱緻密宇宙中的核反應來解釋的。他有爭議弗雷德·霍伊爾(Fred Hoyle)(1915- 2001年),發明了術語'大爆炸'貶低它。費米其他人則指出,此過程僅在創建光元素之後就會停止,因此沒有考慮到較重的元素。
Gamow的預測是5-10-開爾文黑體輻射宇宙的溫度,在膨脹過程中冷卻之後。這得到了證實Penzias和Wilson1965年。隨後的實驗到達2.7 kelvins溫度,對應於宇宙年齡大爆炸後的138億年。
這個戲劇性的結果提出了問題:大爆炸與普朗克時間之間發生了什麼,畢竟這是最小的可觀察時間。什麼時候可能會與時空泡沫;[38]只有基於斷裂的對稱性的提示(請參閱自發對稱性破裂,大爆炸的時間表,以及類別中的文章:物理宇宙學)。
一般相對論給了我們我們現代的關於從大爆炸開始的不斷擴展的宇宙的概念。使用相對論和量子理論,我們能夠大致重建宇宙的歷史。在我們的時代,在此期間,電磁波可以傳播而不會被導體或電荷打擾,我們可以在夜空中看到距離我們很遠的恆星。(在這個時期之前,有一段時間,直到宇宙冷卻到足以使電子和核與原子結合到原子之後約377,000年之後大爆炸,在此期間,在大距離內看不到星光。)
重新發行
Ilya Prigogine的重複是"時間前面存在"。與牛頓,愛因斯坦和量子物理學的觀點相反,量子物理學提供了對稱的時間(如上所述),Prigogine指出,統計和熱力學物理可以解釋不可逆轉的現象,[39]以及時間的箭頭和大爆炸.
也可以看看
參考
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進一步閱讀
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- Dieter Zeh,H。,時間方向的物理基礎。施普林格。ISBN978-3-540-42081-1
- 庫恩(Kuhn),托馬斯(Thomas S.),科學革命的結構.ISBN0-226-45808-3
- Mandelbrot,Benoît,多幀和1/F噪聲。施普林格·維拉格(Springer Verlag)。 1999年2月。ISBN0-387-98539-5
- Prigogine,伊利亞(1984),混亂.ISBN0-394-54204-5
- Serres,Michel,等人,”關於科學,文化和時間的對話(文學和科學研究)”。1995年三月。ISBN0-472-06548-3
- Stengers,Isabelle和Ilya Prigogine,理論範圍。明尼蘇達大學出版社。1997年11月。ISBN0-8166-2517-4
外部鏈接
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