VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Измерение времени
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
Что бы провести исследование на тему измерение времени – представляется необходимым понять - что же такое время? Что нам надо измерять?
Время – это категория и философская и психологическая и математическая. Это невероятно интересный мир, путешествие в который увлекательно, но не познаваемо! Тема времени это очень важная составляющая нашей жизни, но мало изученная. Казалось бы, все мы живём во времени, но, тем не менее, и мы, и философы, и психологи не могут осознать, что же это такое. В частности – метаморфоза восприятия времени. Мы воспринимаем это как отражение объективной длительности, скорости и последовательности явлений действительности - но так ли это?
Время свелось к понятию длительности. Именно длительность пришла на смену времени.
Раньше считалось, что наше время однородно, абсолютно, течёт одинаково, и в нём нет разрывов, и оно плавное. Конкретность времени, его интервалы, его свойства можно рассматривать только чрез понятие промежуток. Промежуток времени.
Есть физическое время, так называемое, - это время объективное, оно находится вне нас и существует само по себе. А существует ли время без участия человека? Да, есть свойства материи, которые задают параметры существования физических предметов в пространстве. Это время, которое не зависит от нас – объективная реальность, это физическое время. Оно унифицировано.
Одновременно существуют и наши внутренние человеческие субъективные процессы, которые определяют, чувствуют, ощущают это время. Это психологическое время, когда мы иногда говорим, как медленно оно течёт или как быстро оно пролетело.
Оказывается, что скорость течения психологического времени зависит от количества полученной и воспринятой человеком новой информации в единицу физического времени.
Чем больше информации человек получает в единицу физического времени, тем медленнее оно тянется…
Цель исследования: изучить и понять к какой категории относится «время», будучи нематериальной величиной и какими методами и средствами оно измеряется.
Задачи:
Определить объект исследования.
Определиться с единообразием измерения времени и определить время как физическую величину – «материальную», подлежащую измерению.
Изучить единицы измерения времени.
Методы исследования:
Аналитический метод - работа с источниками информации и анализ полученных данных.
Сравнительный метод – сравнение способов и величин измерения времени и определение унификации данных процессов.
Объект исследования: время как физическая величина.
Практическое исследование: изучение временных промежутков и их соотношений.
2. Что же мы измеряем?
"Абсолютное, истинное или математическое время само по себе и в силу своей внутренней природы течет одинаково, безотносительно к чему либо внешнему и иначе зовется длительностью; относительное, кажущееся или обычное время представляет собой некоторого рода чувственную, или внешнюю (каким бы оно ни было точным или несравнимым), меру длительности, определяемую с помощью движения, которое обычно используется вместо истинного времени; это – час, день, месяц, год…
… Длительность или возраст существования вещей остается одним и тем же независимо от того, быстры движения или медленны или их нет вообще…"
(И.Ньютон «Математические начала натуральной философии»)
Время — форма и последовательные смены состояний объектов и процессов (характеризует длительность их бытия).
ВРЕМЯ (системы измерения). Измерение времени основано на наблюдении или осуществлении периодически повторяющихся процессов одинаковой длительности; так, для измерения больших интервалов времени пользуются годом. Суточное вращение Земли относительно звезд определяет звездное время. …Полностью независимая от астрономических наблюдений равномерная система счета времени основана на понятии атомной секунды (см. Квантовые часы). Измерение и хранение времени осуществляются различными часами.
(Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2000)
ВРЕМЯ. Философ. Основная, наряду с пространством, форма бесконечно развивающейся материи. Бесконечность пространства и времени. Вне пространства и времени нет движения материи. II Длительность существования всего происходящего, всех явлений и предметов, измеряемая веками, годами, часами, минутами и т.п. II Мера длительности всего происходящего, существующего. …
(Большой толковый словарь русского языка)
Определения времени процитированы выше для того, чтобы показать неопределённость его понимания. Это нематериальная величина. Вообще вызывает настороженность история появления этой величины в физике как науке. Единого подхода к пониманию, что же такое время – пока нет. Похоже, со времен Ньютона понятие времени стало удаляться от своего первоначального, исторического значения. Чем дальше от Ньютона, тем больше время переплетается с обыденным его значением. Оно тонет в физических теориях, становясь формальным понятием. В конце концов время стало для нас объективно существующей физической величиной, неразрывно связанной с пространством. Сущность времени определяется на основе трактовки математических моделей, а не нашего осознания окружающего мира.
Время в истории человечества появилось тогда, когда началось летоисчисление (астрономический год) и связанный с ним календарь. В Египте он появился как итог наблюдения за периодическими событиями – восходом Сириуса, а основным его назначением было предсказание (прогноз) разлива Нила. Год был связан с сутками - периодами смены дня и ночи. С такими периодическими событиями, как смена фаз Луны был связан месяц. Появилось разные календари – солнечный, лунный и их комбинации. Сутки понадобилось делить на части и появились сначала солнечные часы, затем часы механические, а затем и квантовые. То, что показывают нам часы мы называем "время" или, точнее, "время суток". А правильно ли это? Что они на самом деле показывают?
Начнем с того, что часы время не измеряют. Измерить время можно с помощью секундомера или, в современных терминах, таймера. Часы же играют такую же роль, какую играет гиря в измерении массы. Гиря воспроизводит известное значение массы, а часы воспроизводят угловую (фазовую) скорость вращения Земли. Если умножить показания часов на 15, то мы получим направление меридиана на Солнце в угловой мере.
Если говорить о полном формате времени, то оно состоит из суммы периодов год+месяц+день (сутки) и фазы суток. Часы так же основаны на принципе подсчета периодов гармонических колебаний (маятник, генератор электрических колебаний и т.п.). Следовательно - основой для измерения времени всегда являлось наблюдение за периодическими событиями. Так может быть "время" и "период" синонимы? Для выяснения этого вопроса обратимся к основополагающим документам системы измерений физических величин.
В Системе единиц физических величин (ГОСТ 8.417), время стоит рядом с массой и длиной и является одной из основных физических величин. Однако, при внимательном ознакомлении с определением системы СИ, можно обнаружить несколько настораживающих моментов. Первым является то, что в ней отсутствует такая физическая величина, как период. В то же время в качестве кратных единиц времени приводятся сутки и год, являющиеся явно периодами. Период, правда, появляется, но в рекомендуемом приложении, в разделе "Акустика", где приводятся кратные и дольные единицы. А основная единица измерения периода та же, что и у времени - секунда. И определяется она на основе подсчета числа периодов. Что это такое? Почему периода как бы и нет? Скорее всего, потому, что у разных физических величин не может быть одной и той же единицы измерения. Или это синонимы? Такое положение наталкивает на мысль, что разработчики Системы столкнулись с казусом, разрешить который оказывается не так просто. Ведь если согласиться с тем, что период и время это одно и то же, то время нельзя представить вектором, неразрывно связанным с вектором пространства! Ведь период это всегда скалярная величина! Скалярная величина - в физике — величина, каждое значение которой может быть выражено одним (как правило, действительным) числом. Скорее всего, возможность двоякости толкования времени и есть основная причина попытки игнорирования существования периода как физической величины. А является ли время объективно существующей физической величиной и тем более основной?
Мы привыкли, что скорость V = S / t для равномерного (инерциального) движения или, в общем виде, f(V) = dS / dt, т.е. производная физическая величина. Но никто не запрещал написать f(t) = dS / dV. Тогда уже скорость станет основной физической величиной, а время – производной. С таким же успехом можно интегрировать выражение dt = ds / f(V) и получить значение времени. Это операцию фактически осуществляет секундомер интегрируя угловую скорость вращения Земли. Это иллюстрация условности выбора основной физической величины в физике. Основная физическая величина должна еще и обеспечивать простоту и ясность изложения теорий и описания математических моделей. В этом смысле время гораздо удобнее скорости несмотря на то, что скорость имеет фундаментальную константу – скорость света. Фундаментального естественного аналога для времени нет. Есть фундаментальные аналоги для периода – параметры движения космических объектов. У времени нет естественного нуля и предпринимаются многочисленные попытки его найти. А у периода есть естественный нуль – инерциальное движение.
3. Время как физическая величина.
Если обратиться к определениям термина время, то нетрудно обнаружить некоторые неясности, если не сказать противоречия. В виде философской категории время определяется как "форма и последовательные смены состояний объектов...". В ГОСТ 16263-70 (Метрология.Термины и определения) время приводилось в качестве примера физической величины, а физическая величина определялась как свойство физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессах). Так что же такое время - форма или свойство?
ФОРМА (лат. forma),
1) внешнее очертание, наружный вид, контуры предмета.
2) Внешнее выражение какого-либо содержания (см. Содержание и форма – "…форма — способ существования и выражения содержания"…).
3) Установленный образец чего-либо (напр., написать отчет по форме).
4) Приспособление для придания чему-либо определенных очертаний (напр., литейная форма).
5) Одинаковая по цвету и покрою одежда (напр., форма военнослужащих).
6) Совокупность приемов и изобразительных средств художественного произведения (напр., стихотворная форма).
(Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2000)
Из приведенного определения формы ни одно с уверенностью нельзя отнести ко времени.
СВОЙСТВО, философская категория, выражающая отношение данной вещи к др. вещам, с которыми она вступает во взаимодействие. Свойство нередко рассматривается как внешнее выражение качества.
(Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2000)
И "свойство" можно только с очень большой натяжкой отнести к понятию времени. Свойством каких объектов является время?
Утверждается, что время имеет "объективный характер". Это значит, что оно существует независимо от наших органов чувств. Но так ли это? Масса и длина бесспорно существуют объективно в связи с существованием физических объектов. Время же существует только в связи с необходимостью описания движения, связи между событиями или течением каких либо процессов. Чувствуете разницу? Есть движение – есть время. Есть больше одного события, связь между которыми нам необходимо описать – есть время. Есть процесс – есть время. Есть наблюдатель – есть время. Если ничего подобного нет, то и времени нет. Заметим попутно, что динамика любого движения или процесса описывается с помощью фиксации неких событий, характерных для них. Что же происходит, когда мы измеряем время? А происходит сравнение длительностей.
В современной науке широко распространяются попытки присвоить времени некие характеристики. Есть время геологическое, биологическое, историческое и т.д. и т.п. Происходит это от того, что математические модели, описывающие динамические процессы в различных областях науки, имеют дело с процессами, протекающими с существенно различной скоростью. Квантовая электроника имеет дело с длительностями сравнимыми с периодами колебаний генераторов эталона времени. Для малых длительностей не имеет значения единая шкала времени. Для сопоставления характеристик процессов здесь необходимо поддерживать очень высокую точность воспроизведения дольных единиц измерения. В геологии, палеонтологии и истории ученые имеют дело с кратными единицами предельно больших значений. И здесь уже необходима шкала с четко определенным единым нулем отсчета. Диапазоны измерений имеют различия порядка 1026. Естественно, что отношение к понятию времени так же сильно различается в таких отдаленных друг от друга науках.
По моему мнению, и не только моему, время не является физической величиной в полном смысле этого термина, т.е. не существует объективно. И, что самое главное, время всегда связывают с часами. Но ведь часы это только средство измерения! Создается впечатление, что если нет часов, то нет и времени, но это абсурдно! Это равносильно утверждению, что если у нас нет линейки, то нет и длины или если нет амперметра, то нет и электрического тока. К тому же часы, как мы, надеюсь, убедились, служат для воспроизведения объективно существующей величины – угловой скорости вращения Земли. Все это создает серьезные сомнения в объективности существования времени.
Но существует понятие, которое может примирить ученых всех отраслей знаний. Это понятие – процесс. В конце концов любая наука имеет дело с процессами. Это процессы физические, геологические, биологические, исторические и многие другие. И все эти процессы сравниваются с эталонным гармоническим процессом - движением Земли. Происходит это в большинстве случаев бессознательно. Термин время (от индоевропейского vertmen – вертеть) упростил процесс сравнения. Время, по своей сути, величина-посредник. Она существует только в связи с процессом сравнения.
Если согласиться со сказанным выше, то следует сделать несколько шагов, которые позволят ввести единую трактовку термина время во всех областях естествознания. Во-первых осознать, что время универсально, является мерой длительности и не существует объективно. Объективно существуют различные процессы и использование понятия времени для их описания. Нет времени биологического, геологического, исторического, а есть время в процессах биологических, геологических, исторических и т.п., т.е. одно и то же понятие используется в различных отраслях науки и техники с учетом их специфики. Во-вторых, в рамках существующей системы единиц физических величин, использовать понятие "длительность", которое еще Ньютон использовал как синоним "времени". Оно является синонимом как времени, так и периода. Для нас вполне естественным является использование словосочетаний "длительность периода" и "длительность процесса". В конце концов, энциклопедическое определение времени использует термин "длительность". Термин "время" может по-прежнему использоваться как понятие в математических моделях и как основная физическая величина SI. Необходимо только четко определить этот термин и критически посмотреть на использование времени в математических моделях.
4. Измерение времени и проблема одновременности.
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ, философские категории. Пространство — форма сосуществования материальных объектов и процессов (характеризует структурность и протяженность материальных систем); время — форма и последовательные смены состояний объектов и процессов (характеризует длительность их бытия). Пространство и время имеют объективный характер, неразрывно связаны друг с другом, бесконечны. Универсальные свойства времени — длительность, не повторяемость, необратимость; всеобщие свойства пространства — протяженность, единство прерывности и непрерывности.
(Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия)
Энциклопедическое определение пространства и времени утверждает о их неразрывности и объективности существования. Истоки этого утверждения лежат в теории относительности Эйнштейна (ТО). "В 1905 г. Эйнштейн установил, что лоренцово сокращение и его локальное время – не математический прием и физическая иллюзия, но явления, связанные с самыми понятиями пространства и времени." (Борн, 1964) С этого началась великая путаница. Изложение сути ТО Борн начинает с понятия одновременности. На это необходимо обратить внимание в первую очередь. Попытки осознания окружающего мира непосредственно связаны с сопоставлением и анализом событий, рассмотрением их в единой системе координат. Это подразумевает не только наличие единой шкалы, но и единого начала отсчета. Без этого невозможно сопоставить события, выявить связь между ними. Что происходило одновременно или в какой последовательности? Научные исследования схожи с работой следователя. Здесь сплошь и рядом возникают вопросы типа: " А что Вы делали в понедельник в 8 часов вечера?". Именно в установлении начала отсчета времени и кроется основной вопрос ТО.
Борн безусловно прав, утверждая: "Не существует такой вещи, как абсолютная одновременность". Он сводит вопрос "к следующему: можно ли указать средство, позволяющее доказать, что двое часов, расположенных в различных точках пространства, идут с одинаковой скоростью?" (Борн, 1964, стр.274) Обратите внимание, он говорит об измерении времени, факте субъективном, а не об одновременности, как объективном событии. Абсолютно точных измерений не существует вообще (на сегодняшний день). Вопрос об одновременности не стоял бы, имей мы средства связи с бесконечно большой скоростью передачи информации. Точность определения одновременности непосредственно связана со скоростью распространения информации, ограниченной скоростью света.
Для разрешения всех существующих противоречий и пробелов используется Метрология.
Метроло́гия (от греч. μέτρον «мера» + λόγος «мысль; причина») — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
В метрологии говорят о допустимости принятия измеренного значения величины за истинное (абсолютно точное) в том случае, если погрешность измерения пренебрежимо мала для достижения поставленной цели. Понятие одновременности относительно. Можно говорить об одновременности событий произошедших в один день (день рождения, например) и не одновременности, если разница в возникновении событий составляет доли секунды. Все зависит от поставленной цели и решаемой задачи. Устанавливать одни и те же требования к решению различных задач нецелесообразно, по крайней мере, с экономической точки зрения. Что касается электродинамики, стоящей у истоков специальной Теории Относительности, то требования к точности измерения времени здесь можно считать на сегодня наивысшими. Отсюда и попытки создания математического аппарата для преодоления методических погрешностей измерений и создание средств измерения наивысшей точности.
5. Единообразие измерения времени.
Обычный человек без запинки ответит: время — это длительность, интервал между какими-то событиями, которые происходят в нашей жизни. И ещё скажет, что измерять время принято в часах, минутах, секундах.
Отрезок времени можно измерить тремя способами. Во-первых, можно взять в качестве единицы времени средний солнечный день (промежуток, за который в среднем Земля совершает один оборот вокруг своей оси). Динамический способ измерения времени использует движение Луны и планет. Третий способ измерения времени появился сравнительно недавно и основан на введении атомной шкалы.
Существуют и другие, «менее научные» термины для описания времени.
Полночь — 12 часов ночи; момент, когда один день переходит в другой.
Рассвет — промежуток времени от того момента, когда небо начинает светлеть, до первого луча Солнца.
Полдень — 12 часов дня; в этот момент кончается утро и наступает день.
Заход Солнца — промежуток времени, в течение которого Солнце скрывается за горизонтом.
Сумерки — Солнце за горизонтом; постепенно темнеет; первый мягкий отблеск солнечного света; Солнце еще находится под горизонтом. Также последний отблеск солнечного света.
Вечер — время между заходом Солнца и отходом ко сну.
Ночь — темное время суток после захода Солнца.
Современный отсчет времени: длительности года, месяца, недели и суток основаны на периодических циклах, связанных с вращением Земли и Луны. Современный отсчет времени связан с числом 60. В древней шумерской цивилизации 3000 лет назад, наряду с основанием 60, использовалось для счета времени основание 10. В современной минуте содержится 60 секунд, в часе — 60 минут. Ученые связали продолжительность одной секунды с излучением цезия-133, изотопа металла цезия. Одна секунда — это промежуток времени, в течение которого происходят 9 192 631 770 колебаний атома цезия-133.
11 способов измерить время
На протяжении веков люди придумывали различные творческие методы хронометража, от самых простых солнечных часов до атомных часов. Ниже представлены различные способы измерения времени, некоторые из них новейшие, а некоторые также стары, как само время.
1.Солнце. В 3500 году до н.э. египтяне соорудили обелиски и расположили их в стратегически важных местах, где в определенное время "приборы" отбрасывали тени. На первый взгляд, эти обелиски могли отметить только время прихода полдня, но затем они стали делать более глубокие подразделения.
Две тысячи лет спустя, египтяне разработали первые солнечные часы, "циферблат" которых был разделен на 10 частей. Солнечные часы работали, отслеживая движение солнца. Когда часы показывали полдень, необходимо было передвинуть стрелку часов на 180 градусов для того, чтобы измерить послеобеденное время. Конечно, древние солнечные часы не могли определить точное время в пасмурный день или в ночной период времени. Кроме того, время, показываемое солнечными часами, было неточным, поскольку в разные времена года часы были короче или длиннее в зависимости от сезона. Тем не менее, солнечные часы были лучше, чем ничего, а к 30 году до н.э. более 30 различных видов часов использовались в Греции, Италии и Малой Азии.
2.Звезды. Древние египтяне, как полагается, разработали первый способ определения времени ночью, изобретя первый астрономический инструмент "меркхет" в приблизительно 600 году до н.э. Инструмент представляет собой натянутую нить с весом, которая работает также, как плотник сегодня использует отвес. Египетские астрономы использовали два меркхета, ориентированных на Полярную звезду для того, чтобы выявить небесный меридиан в ночном небе. Время же отсчитывалось по принципу пересечения звездами этого меридиана. Звезды использовались не только для того, чтобы отметить прохождение часов, но и прохождение дней. Это измерение вращения Земли называется звездным временем. Когда определенная воображаемая точка среди звезд пересекает небесный меридиан, то этот момент обозначается как звездный полдень. Время, которое прошло от одного звездного полдня к другому, называется звездными сутками.
3.Песочные часы. Происхождение песочных часов уходит далеко вглубь веков. Они состоят из двух стеклянных колб, одна поверх другой с узким отверстием между ними. Песок постепенно попадает из верхней части в нижнюю при переворачивании часов. Когда весь песок из верхней части перешел в нижнюю, то это означает, что время вышло, однако, это не всегда означает, что прошел час. Песочные часы могут быть сделаны таким образом, чтобы измерить практически любой короткий промежуток времени, для этого нужно всего лишь регулировать количество содержащегося песка в нем, или же отверстие между колбами.
4. Водяные часы, известные как "клепсидра", были одним из первых устройств, которое для измерения времени не использовало солнце или звезды, то есть ими можно было пользоваться в любое время суток. Водяные часы работают путем измерения количества воды, которое капает из одного контейнера в другой. Они были изобретены в Египте, но распространились по всему древнему миру, а в некоторых странах люди даже в 20 веке пользовались водяными часами. Древние греки и римляне строили большие водяные часы в виде башен, а в Китае такие часы назывались "Лу" и зачастую были сделаны из бронзы. Однако, несмотря на то, что водяные часы были очень распространены, они были не совсем точны.
5.Механические часы. В Европе в 1300-х годах изобретатели начали делать механические часы, которые работали при помощи системы весов и пружин. У этих первых часов не было лицевой части и стрелок, а о прохождении часа свидетельствовал звонок. На самом деле, слово часы происходит от французского «колокольчик». Эти огромные первые часы, как правило, устанавливались в церквях и монастырях, для того, чтобы объявлять о времени прихода необходимости помолиться. Вскоре появились часы с двумя стрелками, минутной и часовой. Позднее стали появляться настольные и каминные часы. Несмотря на то, что часы были усовершенствованными, они, все же, были неточными. В 1714 году британский парламент предложил хорошее вознаграждение тому, кто сможет разработать точные часы, которые помогали бы работе морской навигации. В итоге такие часы были изобретены, их погрешность составляла всего пять секунд. С приходом промышленной революции, началось массовое производство часов, благодаря чему эту устройство попало в дом каждому человеку.
6.Необычные часы. Когда мы думаем о часах, мы, как правило, представляем себе знакомый циферблат с двумя, а, возможно, с тремя стрелками. На протяжении многих веков люди создавали всевозможные конструкции для того, чтобы определить время. Китайцы в период между 960 и 1279 годами изобрели ладановые часы, а затем они распространились во всей Восточной Азии. В одном из видов ладановых часов, металлические шарики были прикреплены к благовонию при помощи проволоки. Когда ладан догорал, металлический шарик падал и звучал гонг, что свидетельствовало о прохождении часа.
Другие часы использовали в своей работе цвет, а некоторые – различные ароматы для обозначения разных периодов времени. Существовали также часы, сделанные из маркированной свечи, когда свеча догорала до определенной отметки, то проходил заданный период времени.
7.Наручные часы. Открытие в 1400-х годах того, что спиральные источники могут быть уменьшены в размерах, привело к тому, что были созданы наручные часы. В то время и на протяжении многих веков после этого, карманные часы были приоритетом мужчин, женщины же носили наручные часы. Все эти правила моды изменились во время Второй Мировой войны, и в итоге с тех пор, наручные часы начали носить и мужчины. Дарение часов символизировало переход к зрелости. Однако, по мере развития 21 века, вездесущие наручные часы, могут постепенно кануть в лету, поскольку сейчас мы чаще всего проверяем время, глядя на монитор компьютера, мобильного телефона или дисплея МР3-плеера. Однако, все же неформальный опрос нескольких тысяч людей показал, что большинство из них не собираются отказываться от своих наручных часов.
8. Кварцевые часы. Минеральный кварц, как правило, с помощью аккумулятора, является основной движущей силой кварцевых часов. Кварц является пьезоэлектрическим материалом, а это означает, что когда кристалл кварца сжат, он генерирует небольшой силы электрический ток, который способствует вибрации кристалла. Все кристаллы кварца вибрируют на одной и той же частоте. Кварцевые часы используют батарейку для создания кристальной вибрации и для подсчета колебаний. Таким образом, система работает так, что создается один импульс в секунду. Кварцевые часы по-прежнему доминируют на рынке из-за своей точности и низкой стоимости производства.
9.Атомные часы. Хотя название звучит достаточно устрашающе, на самом деле, атомные часы не представляют собой никакой опасности. Они измеряют время, отслеживая как долго один атом переходит с положительного на отрицательное энергетическое состояние и обратно. Официальный временной стандарт для Соединенных Штатов устанавливается NIST F-1, атомные часы Национального института науки и технологии в городе Боулдер (штат Колорадо). NIST F-1 являются фонтанными часами, названными в честь атомного движения. Ученые вводят газ цезий в вакуумный центр часов, а затем добавляют прямые инфракрасные лазерные лучи под углом в 90 градусов. Сила лазера собирает все атомы в одном месте, на которое с большой силой воздействует заполненная микроволнами область. Ученые измеряют количество атомов, которые оказываются в измененном состоянии, а также управляют микроволнами, задавая им разные частоты до тех пор, пока большая часть атомов не изменит свое состояние. В итоге, последняя частота, при которой меняются атомы, и есть частота колебаний атомов цезия, равняющаяся секунде. Это звучит довольно сложно, однако, данная технология является мировым стандартом измерения времени. Атомные часы отслеживают самые незначительные изменения времени.
Атомные часы — наиболее точный на данный момент инструмент для измерения времени. Он основан на определении частоты периодических электронных переходов между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах щелочных или щелочноземельных металлов. Стабильность работы атомных часов определяется отношением отклонения частоты от своего начального значения к самой частоте и для большинства атомных часов составляет около 10-15.
Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) невозможны без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.
Американские физики повысили точность определения частоты атомных часов в полтора раза. Теперь она достигает 2,5×10−19, что соответствует накоплению ошибки в 1 секунду за несколько сотен миллиардов лет. Добиться этого удалось за счет одновременного измерения квантового состояния нескольких тысяч атомов стронция, составленных в упорядоченную трехмерную решетку. Такая точность позволит использовать эти часы, например, для детектирования гравитационных волн, пишут ученые в Physical Review Letters.
Максимально точные на сегодняшний день атомные часы представляют собой трехмерные решетки из атомов стронция, конфигурация которых зафиксирована с помощью лазерных ловушек. Эти измерения основаны на определении частоты перехода в отдельных атомах стронция, которые находятся в состоянии вырожденного Ферми-газа. При этом ученые считают, что если точность определения частоты электронных переходов можно дополнительно повысить за счет анализа связанных квантовых состояний всех атомов в решетке, то атомные часы могут значительно расширить область своих применений. В частности, предполагается, что с помощью них можно будет измерить гравитационное красное смещение, и для этого будет достаточно лишь вакуумной камеры.
10.Цветочные часы. Так как у различных растений цветки открываются и закрываются в различную пору дня, то можно так подобрать растения, что по их цветению можно приблизительно узнавать время дня. Для каждой местности могут быть составлены свои цветочные часы, так как время цветения, то есть открытие и закрытие цветков, в разных местностях происходят не в один и тот же час; оно либо запаздывает, либо наступает раньше.
11.Календари. Как мы видели, фактический подсчет минут и секунд требует проведения достаточно сложных процедур, но подсчет дней и месяцев основан на положении солнца и луны. Различные культуры, однако, используют разные методы. Христианский, или григорианский календарь, один из наиболее популярных сегодня, опирается на солнце. Исламский календарь использует фазы луны, еврейские и китайские календари полагаются на сочетание обоих этих методов. В григорианском календаре, день – это время, прошедшее от одного восхода солнца до следующего, или же один полный оборот Земли вокруг своей оси. Месяц, по григорианскому календарю, это приблизительно 29,5 дней, что является одним полным циклом фаз Луны, а год – это 364,24 дня, или время, необходимое для того, чтобы Земля сделала полный круг по орбите Солнца.
Как человек живет сейчас, так окружающий нас мир живет как единое целое в непрерывном и необратимом процессе, идущем от рождения к смерти. Рождается и умирает все – человек, животные, растения, ландшафты, планеты, звездные системы, галактики и вселенные. Все пространство существует одновременно, независимо от того, имеем ли мы единую систему отсчета. Система отсчета – изобретение ученых а Вселенная существует помимо нашей воли. Главное похоже в другом.
Дело в том, что всю информацию об окружающем нас мире мы получаем из "Прошлого". Все что мы знаем мы получили на основе анализа свершившихся событий или процессов. Процессы можно так же рассматривать как набор событий связанных причинно-следственной связью. Информация всегда доходит до исследователя с задержкой, как бы не было мало расстояние. Осознание этого приводит к существенным выводам. Мы пользуемся устаревшей и весьма разнородной информацией о прошлом. Для того, чтобы понять, что происходит вокруг нас, и особенно в нашей Вселенной, информацию надо систематизировать, выровнять или учесть задержки. Методический или (и) аппаратный учет задержек является порой весьма сложной, а порой и непреодолимой задачей.
6. Единицы измерения времени.
Мы привыкли измерять время в часах и минутах. Желая подчеркнуть точность, говорим о секундах. Но единицы измерения времени варьируются от бесконечно малых до поистине невообразимых величин.
1 аттосекунда (одна миллиардная миллиардной доли секунды)
Самые быстротекущие процессы, которые способны захронометрировать ученые, измеряют в аттосекундах. С помощью наиболее совершенных лазерных установок исследователи сумели получить световые импульсы длящиеся всего 250 аттосекунд. Но какими бы бесконечно малыми ни казались эти временные промежутки, они представляются целой вечностью по сравнению с так называемым временем Планка (около 10-43 секунды), по мнению современной науки, наикратчайшим из всех возможных временных отрезков.
1 фемтосекунда (одна миллионная миллиардной доли секунды)
Атом в молекуле совершает одно колебание за время от 10 до 100 фемтосекунд. Даже самая быстротекущая химическая реакция протекает за период, исчисляемый несколькими сотнями фемтосекунд. Взаимодействие света с пигментами сетчатой оболочки глаза, а именно этот процесс и позволяет нам видеть окружающее, длится около 200 фемтосекунд.
1 пикосекунда (одна тысячная миллиардной доли секунды)
Самые быстродействующие транзисторы функционируют во временных рамках измеряемых в пикосекундах. Время существования кварков, редких субатомных частиц, получаемых в мощных ускорителях, составляет всего одну пикосекунду. Средняя продолжительность гидрогенной связи между молекулами воды при комнатной температуре равняется трем пикосекундам.
1 наносекунда (миллиардная доля секунды)
Луч света, проходящий через безвоздушное пространство, за это время способен преодолеть расстояние всего в тридцать сантиметров. Микропроцессору в персональном компьютере потребуется от двух до четырех наносекунд, чтобы выполнить одну команду, к примеру, сложить два числа. Время существования К-мезона, еще одной редкой субатомной частицы, составляет 12 наносекунд.
1 микросекунда (миллионная доля секунды)
За это время луч света в вакууме покроет расстояние в 300 метров, длину примерно трех футбольных полей. Звуковая же волна на уровне моря способна за этот же промежуток времени преодолеть расстояние равное всего одной трети миллиметра. 23 микросекунды потребуется для того, чтобы взорвалась динамитная шашка, фитиль которой догорел до конца.
1 миллисекунда (тысячная доля секунды)
Кратчайшее время экспозиции в обычной фотокамере. Всем нам знакомая муха взмахивает своими крылышками один раз в три миллисекунды. Пчела – один раз за пять миллисекунд. С каждым годом луна вращается вокруг Земли на две миллисекунды медленнее, так как ее орбита постепенно расширяется.
1/10 секунды
Глазом моргнуть. Именно это мы успеем сделать за указанный промежуток. Человеческому уху требуется как раз такое время, чтобы отличить эхо от первоначального звука. Космический корабль Voyager 1, направляющийся за пределы солнечной системы, за это время удаляется от солнца на два километра. За десятую долю секунды колибри успевает семь раз взмахнуть своими крылышками.
1 секунда
Сокращение сердечной мышцы здорового человека длится как раз это время. За одну секунду Земля, вращаясь вокруг солнца, покрывает расстояние в 30 километров. За это время само наше светило успевает проделать путь в 274 километра, с огромной скоростью несясь через галактику. Лунный свет за этот временной интервал не успеет достичь Земли.
1 минута
За это время мозг новорожденного ребенка прибавляет в весе до двух миллиграммов. Сердце землеройки успевает сократиться 1000 раз. Обычный человек за это время может произнести 150 слов или прочитать 250 слов. Свет от солнца достигает Земли за восемь минут. Когда же Марс находится на наиболее близком расстоянии от Земли, солнечный свет, отражаясь от поверхности Красной планеты, доходит до нас меньше чем за четыре минуты.
1 час
Столько времени требуется репродуцирующим клеткам, чтобы разделиться пополам. За один час с конвейера Волжского автомобильного завода сходят 150 «Жигулей». Свет от Плутона – самый отдаленной планеты Солнечной системы – достигает Земли за пять часов двадцать минут.
1 сутки
Для людей это, пожалуй, самая естественная единица измерения времени, основанная на вращении Земли. Согласно данным современной науки долгота суток составляет 23 часа 56 минут и 4,1 секунды. Вращение нашей планеты постоянно замедляется из-за лунной гравитации и других причин. Сердце человека за сутки совершает около 100000 сокращений, легкие вдыхают около 11000 литров воздуха. За это же время детеныш голубого кита прибавляет в весе 90 кг.
1 год
Земля совершает один оборот вокруг солнца и поворачивается вокруг своей оси 365,26 раза, средний уровень мирового океана повышается на величину от 1 до 2,5 миллиметров, а в России проводятся 45 выборов федерального значения. Потребуется 4,3 года, чтобы свет от ближайшей звезды Proxima Centauri достиг Земли. Примерно столько же времени понадобится на то, чтобы поверхностные океанские течения обогнули земной шар.
1 столетие
За это время Луна удалится от Земли еще на 3,8 метра. Современные компакт-диски и CD к тому времени безнадежно устареют. Лишь один из каждых детенышей кенгуру может дожить до ста лет, но гигантская морская черепаха способна прожить целых 177 лет. Продолжительность эксплуатации самого современного CD может составить более 200 лет.
1 миллион лет
Космический корабль, летящий со скоростью света, не покроет и половины пути до галактики Андромеда (она находится на расстоянии 2,3 млн световых лет от Земли). Самые массивные звезды, голубые супергиганты (они в миллионы раз ярче Солнца) сгорают примерно за это время. Вследствие сдвигов тектонических пластов Земли, Северная Америка отдалится от Европы примерно на 30 километров.
1 миллиард лет
Примерно столько времени потребовалось, чтобы наша Земля остыла после своего образования. Чтобы на ней появились океаны, зародилась одноклеточная жизнь и вместо атмосферы богатой углекислым газом установилась бы атмосфера, богатая кислородом. За это время Солнце четыре раза прошло по своей орбите вокруг центра Галактики.
Поскольку вселенная всего существует 12-14 миллиардов лет, единицы измерения времени, превышающие миллиард лет, используются достаточно редко. Однако ученые, специалисты по космологии, считают, что вселенная, возможно, будет продолжаться и после того, как погаснет последняя звезда (через сто триллионов лет) и испарится последняя черная дыра (через 10100 лет). Так что Вселенной предстоит еще пройти путь гораздо более длительный, чем она уже прошла.
Интересные факты и определения
НИКОГДА – верхняя граница времени в физике, обозначающая ситуацию, которая произойдет в настолько отдаленном будущем, что время ее наступления спрогнозировать невозможно. Так, например, по закону сохранения энергии, наша Вселенная нагревается, как любой механизм. Следовательно, через определенный период ее температура повысится, скажем, на 100 градусов по Цельсию. Но произойдет это через огромный, неподдающийся вычислению период времени, то есть, по терминологии физиков, НИКОГДА.
ВСЕГДА – наречие, означает: во всякое время, во всякую пору, при всяком случае, завсегда, беспрестанно, бесперечь, сплошь. Раз навсегда, однажды, один раз, вперед на всю будущность, без повторения. Всегдашний, неизбывный, постоянный, иеизменный, вечный. Всегдасущий, всегдасущный, вечный, всевечный.
7. Выводы.
Время, как объективная физическая величина (сущность) не существует. Оно стоит особняком от всех остальных физических величин системы единиц SI. Время – это величина-посредник, понятие сложившееся естественно в человеческой цивилизации и используемое в самых различных областях деятельности человека. Интуитивно ощущалось, что окружающий нас мир подобен человеческому организму – он живет как единое целое в непрерывном и необратимом процессе, идущем от рождения к смерти. Рождается и умирает все – человек, животные, растения, ландшафты, планеты, звездные системы, галактики и вселенные. В основе окружающего мира лежат всевозможные процессы и непременное движение. Без них Вселенная просто не может существовать.
Постепенно пришло осознание того, что понятие времени, возникшее естественно в незапамятные времена, оказалось очень удобным инструментом описания динамики процессов и физических явлений. Все процессы и движения стали соотносить с природным эталоном – процессом движения Земли вокруг Солнца. Это было настолько естественно, что на это не обращали внимания. Казалось, что таким простым образом вопрос решаться не может.
Похоже, что ранее учёные телегу запрягли впереди лошади – время первично, а процесс вторичен – это и приводит к спору и непониманиям. Если осознать, что любой процесс первичен, а время вторично, то это может примирить практически всех. Не станет времени физического, биологического, геологического, исторического, а будут процессы физические, биологические, геологические, исторические, динамика которых описывается с помощью такого абстрактного понятия, как время. Что касается математических моделей, то основное и непреложное требование к ним – обеспечение успешного решения теоретических и практических задач в области, для которой они предназначены и предлагаемый подход им никак не помешает. При этом время останется единым и универсальным понятием, базирующемся на уникальном природном процессе – движении Земли.
По мере исследования становилось все более непонятно, почему успешно сотрудничающие ученые до сих пор не пришли к единому трактованию понятия время. Ответ на этот вопрос обнаружился у О.С.Разумовского - "Если такой подход (ноумено – феноменологический) к сущности и смыслу Времени принять, то необходимо переформулировать многие положения науки, а также смысл, цели и направленность определенного круга исследований,…"
Осознание новых реалий и возможностей может привести к взрыву новых идей и расширению области деятельности. Нужно просто осознавать, что любые теории ограничены хотя бы потому, что всегда ограничены наши знания, и не бояться мыслить неординарно. Необходимо помнить, что диссидентов в науке преследовали, вплоть до сожжения на костре, но остановить процесс развития даже этим не удавалось. Стоит вспомнить, что сто лет назад, в момент зарождения теории относительности, засмеяли бы любого, кто сказал бы не только то, что через 60 лет человек высадится на Луне, но даже то, что он будет комфортабельно перемещаться из Европы в Америку со скоростью превышающую скорость звука. Сегодня это неоспоримый факт. Для того, чтобы двигаться вперед нужно просто допускать все, во что мы сегодня не верим и пытаться понять непонятное.
В результате проведённого исследования можно сделать вывод о том, что:
ВРЕМЯ – понятие, используемое для описания динамики процессов и состояний. В системе единиц физических величин СИ принята за одну из основных, условно независящих от других физических величин. Единица измерения времени – секунда, 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
время ОБЪЕКТНОЕ (конкретное, обычное) – время, имеющее единую общепринятую шкалу и используемое для описания связи событий между собой. Например, земное время имеет в виде шкалы календарь и часы, исчисляется на основании наблюдения за движением Земли и воспроизводится с помощью квантовых генераторов.
время Математическое (абстрактное) – составная часть физико-математических моделей при описании окружающего мира. Оно безотносительно к чему-либо внешнему, воспроизводится как обычное время и для его измерения используются те же единицы.
Я могу с уверенностью утверждать, что такая категория, как Время – больше всего влияет на все биологические, химические, физические и математические процессы. Удивительно то, что это нематериальная категория, но она как ничто другое влияет на материальный мир. Изучение данной категории является одним из наиболее важных способов познания окружающего мира во всём его многообразии. Задумываясь над понятием Времени начинаешь понимать, то существует невероятная перспектива изучения метафизических явлений и процессов. И ведь они есть!
8. Библиография
Исаак Ньютон. Математические начала натуральной философии.
Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. 2000.
Большой толковый словарь русского языка.
Система единиц физических величин. ГОСТ 8.417-81.
Метрология. Термины и определения. ГОСТ 16263-70.
Энштейн убивает время. Абсолютна ли теория относительности? Р.К.Баландин.
Энштейновская теория относительности. Макс Борн. 1964.
Методологические проблемы оптимизации в науке. О.С.Разумовский. 1991.
Википедия.
Лекция психологии Рамиля Гаррифуллина. Что такое время?
Попытки осознания связи пространства и времени. И.И.Кузьмин.
Время. Как его измерить? Исследовательская работа М.А.Иванов.