Qbik-club
Дата публикации:23.05.21 21:06;Автор:Евгений;Теги:, , , , ;

Как работает время?

Рассматривая время, легко быстро потеряться в сложности этой темы. Время повсюду вокруг нас — оно всегда присутствует и является основой того, как мы регистрируем жизнь на Земле. Это константа, которая поддерживает движение мира, Солнечной системы и даже Вселенной.

Цивилизации возникали и падали, звезды рождались и гасли, и наш единственный метод отслеживания каждого события во Вселенной и на Земле — это сравнение их с сегодняшним днем ​​с регулярным течением времени. Но действительно ли это константа? Время действительно так же просто, как движение от одной секунды к другой? LiveScience попытался узнать ответ на этот вопрос.

Как работает время?

Около 13,8 миллиарда лет назад родилась Вселенная, и с тех пор время пролетело до наших дней, наблюдая за созданием галактик и расширением пространства. Но когда дело доходит до сравнения времени, сложно осознать, насколько мы его на самом деле можем осознать.

Земле может быть и 4,5 миллиарда лет, но современные люди населяют планету около 300 000 лет — это всего 0,002% возраста Вселенной. Всё ещё чувствуете себя маленьким и незначительным? Мы так мало прожили на Земле, что с астрономической точки зрения мы совершенно незначительны.

В 17 веке физик Исаак Ньютон видел время как стрелу, выпущенную из лука, летящую по прямой прямой линии и никогда не отклоняющуюся от своего пути. Для Ньютона одна секунда на Земле была таким же отрезком времени, как и та же секунда на Марсе, Юпитере или в глубоком космосе. Он считал, что абсолютное движение невозможно обнаружить, а это значит, что ничто во Вселенной не имеет постоянной скорости, даже свет. Применяя эту теорию, он смог предположить, что если скорость света может изменяться, то время должно быть постоянным. Время должно идти от одной секунды к другой, без разницы между продолжительностью любых двух секунд. В то время это было вполне логичным и было сочтено как правда. Каждый день длится примерно 24 часа, у вас нет одного дня с 26 часами и одного дня с 23 часами.

Однако в 1905 году Альберт Эйнштейн утверждал, что скорость света не меняется, а скорее постоянна и движется со скоростью примерно 186 282 мили в секунду (299 792 километра в секунду). Он предположил, что время больше похоже на реку, приливы и отливы в зависимости от эффектов гравитации и пространства-времени. Время ускорялось и замедлялось вокруг космологических тел с разными массами и скоростями, и поэтому одна секунда на Земле не была одинаковым отрезком времени во всей Вселенной.

Это создало проблему. Если скорость света действительно постоянна, тогда должна быть какая-то переменная, которая изменяется на больших расстояниях во Вселенной. Когда Вселенная расширяется, а планеты и галактики движутся в огромных масштабах, необходимо что то добавить, чтобы учесть эти небольшие колебания. И эта переменная должна была стать временем.

В конечном итоге это была теория Эйнштейна, которая не только считалась истиной, но и оказалась полностью точной. В октябре 1971 года два физика по имени Дж. К. Хафеле и Ричард Китинг попытались доказать его справедливость. Для этого они запустили четверо атомных часов в самолётах по всему миру, сначала на восток, а затем на запад.

Согласно теории Эйнштейна, по сравнению с наземными атомными часами — в данном случае в Военно-морской обсерватории США в Вашингтоне, округ Колумбия — воздушные часы Хафеле и Китинга будут примерно на 40 наносекунд медленнее после их путешествия на восток и примерно на 275 наносекунд быстрее после путешествия на запад, из-за гравитационного воздействия Земли на скорость самолетов. Невероятно, но часы действительно регистрировали разницу при путешествии на восток и запад вокруг света — примерно на 59 наносекунд медленнее и на 273 наносекунды быстрее, соответственно, по сравнению с Военно-морской обсерваторией США. Это доказало, что Эйнштейн был прав, особенно со своей теорией замедления времени, и что время действительно колебалось по всей Вселенной.

Что происходит при замедлении времени?

Что означает специальная теория относительности с точки зрения времени? Для начала посмотрим на объяснение специальной теории относительности, чтобы по-настоящему понять замедление времени.

Однако Ньютон и Эйнштейн согласились в одном — время идет вперед. Пока нет свидетельств того, что во Вселенной есть что-то, что способно уклоняться от времени и двигаться вперед и назад по своему желанию. В конечном итоге все движется вперед во времени, будь то обычным темпом или слегка искажённым. Но почему время идёт вперёд? Ученые не уверены, но у них есть несколько теорий, объясняющих одноколейный «разум» времени. Один из них вводит законы термодинамики, в частности, второй закон. Это означает, что все во Вселенной хочет перейти от низкой энтропии к высокой или от однородности к беспорядку, начиная с простоты во время Большого взрыва, до перехода к почти случайному расположению галактик. Это известно как «стрела времени», придуманная британским астрономом Артуром Эддингтоном в 1928 году, сказал философ-аналитик Хью Прайс в Séminaire Poincaré в 2006 году.

Эддингтон предположил, что время не было симметричным: «Если, следя за стрелой, мы обнаруживаем все больше и больше случайных элементов в состоянии мира, то стрела указывает в будущее. Если количество случайных элементов уменьшается, стрела указывает в прошлое», — писал он в «Природе физического мира» в 1928 году. Например, если бы вы наблюдали почти однородную звезду, но позже видели, как она взорвалась как сверхновая и превратилась в рассеянную туманность, вы бы знали то время перешло от равенства к хаосу.  

Другая теория предполагает, что течение времени связано с расширением Вселенной. По мере того, как Вселенная расширяется, она увлекает за собой время, поскольку пространство и время связаны как одно целое. Но это будет означать, что если Вселенная достигнет теоретического предела расширения и начнет сжиматься, то время повернет вспять. Получается такой небольшой парадокс для ученых и астрономов. Неужели время пойдет назад, когда все вернется в эпоху простоты и закончится большим кризисом? Маловероятно, что мы сможем это выяснить на данном этапе развития науки. Тут учёные могут только строить теории и предполагать возможные варианты развития событий.

Тяжело осознать прогресс, достигнутый человечеством в понимании времени за последнее столетие. От древних солнечных часов до современных атомных. Сегодня мы можем даже отслеживать секунды точнее, чем когда-либо прежде. Но не смотря на всё это, время остается сложной темой. Лишь благодаря ученым-провидцам мы приближаемся к раскрытию секретов этой не столь постоянной универсальной константы.

Концептуальная иллюстрация «стрелы времени». (Изображение предоставлено НАСА / GSFC)

Важность специальной теории относительности Эйнштейна

Теория относительности Эйнштейна опирается на один ключевой факт: Скорость света одинакова независимо от того, как вы смотрите на него. Чтобы применить это на практике, представьте, что вы едете на машине со скоростью 32 км/ч и проезжаете мимо друга, который стоит на месте. Обгоняя его, вы бросаете мяч со скоростью 16 км/ч.

Для Вашего друга, скорость мяча сложится со скоростью автомобиля, и поэтому окажется, что он движется со скоростью 48 км/ч. Не смотря на то, что относительно Вас, мяч движется только со скоростью 16 км/ч. Ведь Вы уже едете со скоростью 32 км/ч.

Теперь представьте тот же сценарий, но на этот раз вы обгоните своего неподвижного друга, путешествуя со скоростью вдвое меньшей скорости света. Через какое-то воображаемое изобретение ваш друг может наблюдать за вами, когда вы проезжаете мимо. На этот раз вы направите луч света из фар автомобиля.

В нашем предыдущем расчете мы сложили вместе скорость мяча и машины, чтобы узнать, что видел ваш друг. И согласно этой же логике, в этот раз Ваш друг должен увидеть луч света, движущийся со скоростью в полтора раза большей скорости света?

Согласно Эйнштейну, ответ отрицательный. Скорость света всегда остается постоянной, и ничто не может двигаться быстрее нее. В этом случае и вы, и ваш друг наблюдаете скорость света, движущуюся по общепринятому значению, примерно 186 282 мили в секунду. Это специальная теория относительности, и она очень важна, когда речь идет о времени.

Время: четвертое измерение во вселенной

Когда-то считалось, что пространство и время разделены, и что Вселенная представляет собой просто набор космических тел, расположенных в трех измерениях. Эйнштейн, однако, ввел понятие четвертого измерения — времени — это означало, что пространство и время были неразрывно связаны. Общая теория относительности предполагает, что пространство-время расширяется и сжимается в зависимости от количества движения и массы находящейся поблизости материи. Теория была здравой, но бездоказательна.

Доказательство было предоставлено NASA в миссии Gravity Probe B, которое продемонстрировало, что пространство и время действительно связаны. Четыре гироскопа были направлены в сторону далекой звезды, и если бы гравитация не влияла на пространство и время, они оставались бы заблокированными в том же положении. Однако ученые четко наблюдали эффект «перетягивания кадра» из-за гравитации Земли, что означало, что гироскопы были очень немного сдвинуты с места. Это доказывает, что ткань самого пространства может быть изменена, и если пространство и время связаны, то само время может растягиваться и сжиматься под действием силы тяжести.

Художественный концепт космического корабля Gravity Probe B на орбите.

Как долго длится секунда?

Есть два основных способа измерения времени: динамическое и атомное время. Первый полагается на движение небесных тел, включая Землю, для отслеживания времени, будь то время вращения далекой вращающейся звезды, такой как пульсар, движение звезды по ночному небу или вращение Земли. Однако, несмотря на вращающуюся звезду, которую трудно наблюдать, эти методы не всегда полностью точны.

Старое определение секунды основывалось на вращении Земли. Поскольку солнцу требуется один день, чтобы встать на востоке, зайти на западе и снова встать. День почти произвольно разделен на 24 часа, час на 60 минут и минута на 60 секунд. Однако Земля вращается неравномерно. Его вращение уменьшается примерно на 30 секунд каждые 10 000 лет из-за таких факторов, как приливное трение. Ученые изобрели способы учета изменяющейся скорости вращения Земли, введя дополнительные секунды, но для наиболее точного времени вам нужно пойти ещё дальше.

Атомное время зависит от энергетического перехода внутри атома определенного элемента, обычно цезия. Определив секунду, используя количество этих переходов, время можно измерить с точностью до крошечной доли секунды за миллион лет. Определение секунды теперь определяется как 9 192 631 770 переходов в атоме цезия.

Атомные часы: самый точный отсчет времени

Самыми точными часами во Вселенной, вероятно, была бы вращающаяся звезда, такая как пульсар, но на Земле атомные часы обеспечивают наиболее точное отслеживание времени. Вся система GPS на орбите вокруг Земли использует атомные часы для точного отслеживания местоположения и передачи данных на планету, в то время как целые научные центры созданы для расчета наиболее точной меры времени — обычно путем измерения переходов внутри атома цезия.

В то время, как большинство атомных часов полагаются на магнитные поля, современные часы используют лазеры для отслеживания и обнаружения энергетических переходов в атомах цезия и более точного измерения времени. Хотя цезиевые часы в настоящее время используются для отсчета времени во всем мире, стронциевые часы обещают вдвое большую точность, в то время как экспериментальный дизайн, основанный на заряженных атомах ртути, может обеспечить ещё большую точность, до 1 секунды в 400 миллионов лет.

Понравилась публикация? Поделись ей с друзьями!

Понравился сайт? Подпишьсь на нас в соцсетях!

Мы в TelegramМы ВконтактеМы в ТвиттерМы на фейсбукМы в одноклассниках

Почему бы нам на сайте не добавить возможность комментирования публикаций? Как Вы на это смотрите?

Предлагаем вам принять участие в нашем опросе по поводу добавления на сайт формы комментариев.

Да, буду пользоваться

Пусть будут

Нет, это лишнее

Голосовать

Загрузка рекомендуемых публикаций