Aika fysiikassa - Time in physics

Aika
Nykyinen aika ( päivitys )
20. lokakuuta 2021, 20.48 ( UTC )
Tärkeimmät käsitteet Menneisyys Esittää Tulevaisuus Ikuisuus argumentteja puolesta
Opintoalat Arkeologia Kronologia Historia Horologia Paleontologia Futurologia
Filosofia Presentismi Ikuisuus Tapahtuma Fatalismi
Uskonto Mytologia Luominen Loppu aika Tuomiopäivä Kuolemattomuus Kuolemanjälkeinen elämä Reinkarnaatio Kalachakra
Mittaus Standardit Metrinen Heksadesimaali
Tiede Naturalismi Kronobiologia Kosmogonia Evoluutio Radiometrinen dating Universumin lopullinen kohtalo Aika fysiikassa
liittyvät aiheet Liike Avaruus Tila -aika Aikamatka
v t e

Fysiikan aika määritellään sen mittauksella : aika on se, mitä kello lukee. Klassisessa, ei-relativistisessa fysiikassa se on skalaarinen määrä (usein merkitty symbolilla ) ja, kuten pituus , massa ja varaus , kuvataan yleensä perusmääränä . Aika voidaan yhdistää matemaattisesti muiden fyysisten suureiden kanssa, jotta saadaan muita käsitteitä, kuten liike , liike-energia ja ajasta riippuvat kentät . Ajanotto on monimutkainen teknologinen ja tieteellinen kysymys ja osa kirjanpidon perusta . ${\ displaystyle t}$

Ajan merkit

Ennen kuin kelloja oli, aika mitattiin niillä fyysisillä prosesseilla, jotka olivat ymmärrettävissä jokaiselle sivilisaation aikakaudelle:

• Siriuksen ensimmäinen esiintyminen (ks. heliaalinen nousu ) Niilin tulvan merkiksi vuosittain
• yön ja päivän jaksottainen peräkkäin , näennäisesti ikuisesti
• sijainti horisontissa, kun aurinko ilmestyi ensimmäisen kerran aamunkoitteessa
• auringon sijainti taivaalla
• merkitsemistä hetkellä keskipäivän päivällä
• gnomonin heittämän varjon pituus

Lopulta tuli mahdollista kuvata ajan kuluminen instrumenttien avulla operatiivisia määritelmiä käyttäen . Samalla käsityksemme ajasta on kehittynyt, kuten alla on esitetty.

Ajan mittayksikkö: toinen

Kun kansainvälisen mittayksikköjärjestelmän (SI), aikayksikössä on toinen (symboli: ). Se on SI tukiasemaan , ja se on määritelty vuodesta 1967 nimellä "kesto 9192631770 [sykliä] ja säteilyn , joka vastaa muutosta kahden hyperfine tasoa , että perustilan ja cesium 133-atomin". Tämä määritelmä perustuu cesium -atomikellon toimintaan . Näistä kelloista tuli käytännöllisiä käytettäväksi ensisijaisina vertailustandardeina noin vuoden 1955 jälkeen, ja niitä on käytetty siitä lähtien. ${\ displaystyle \ mathrm {s}}$

Ajanhallinnan uusinta tekniikkaa

Edellytykset
Mittaus Tieteellinen merkintätapa Luonnolliset yksiköt

Maailmanlaajuisesti käytössä oleva UTC -aikaleima on atomiaikastandardi. Tällaisen aikastandardin suhteellinen tarkkuus on tällä hetkellä luokkaa 10 ⁻¹⁵ (vastaa 1 sekuntia noin 30 miljoonan vuoden aikana). Pienintä teoreettisesti havaittavissa olevaa aikavaihetta kutsutaan Planckin ajaksi , joka on noin 5,391 × ^10-44 sekuntia - monta suuruusluokkaa nykyisten aikastandardien resoluution alapuolella.

Cesium atomikello tuli käytännön 1950 jälkeen, kun kehitys elektroniikan käytössä luotettavaan mittaukseen mikroaaltotaajuuksilla se tuottaa. Edistymisen myötä atomikellotutkimus on edennyt yhä korkeammille taajuuksille, mikä voi tarjota suurempaa tarkkuutta ja tarkkuutta. Näihin tekniikoihin perustuvat kellot on kehitetty, mutta niitä ei vielä käytetä ensisijaisina vertailustandardeina.

Käsitykset ajasta

Galileo , Newton ja useimmat ihmiset 1900 -luvulle asti ajattelivat, että aika oli kaikille sama kaikkialla. Tämä on perusta aikajanille , joissa aika on parametri . Moderni käsitys ajasta perustuu Einsteinin n Suhteellisuusteoria , jossa hinnat aikaa ajaa eri tavoin riippuen suhteellisen liikkeen, ja tilaa ja aikaa sulautuvat spacetime , jossa elämme maailmassa linjan sijaan aikajanalla. Tässä näkymässä aika on koordinaatti . Alkuperäisen räjähdyksen teorian vallitsevan kosmologisen mallin mukaan aika itse alkoi osana koko maailmankaikkeutta noin 13,8 miljardia vuotta sitten.

Säännöt luonnossa

Ajan mittaamiseksi voidaan tallentaa jonkin jaksollisen ilmiön esiintymien (tapahtumien) määrä . Säännöllinen toistuminen on vuodenaikojen The liikkeet ja auringon , kuun ja tähdet havaittiin ja taulukkomuotoisina vuosituhansia ennen fysiikan lakeja muotoiltiin. Aurinko oli välittäjänä ajan virtaa, mutta aika oli tiedossa vain tunnin ja vuosituhansien siten käyttö akselistosymbolin tunnettiin lähes kaikkialla maailmassa, erityisesti Euraasiassa , ja ainakaan etelään kuin viidakoissa Kaakkois -Aasia .

Erityisesti uskonnollisiin tarkoituksiin ylläpidetyistä tähtitieteellisistä observatorioista tuli riittävän tarkkoja tähtien ja jopa joidenkin planeettojen säännöllisten liikkeiden selvittämiseksi.

Aluksi papit tekivät kellonajan käsin, ja sitten kauppaa varten, vartijoiden huomioiden ajan osana tehtäviään. Taulukointiformaattiin ja tasauksia , The sandglass , ja vesi kellon tuli yhä tarkempi, ja lopulta luotettava. Merellä olevissa aluksissa poikia käytettiin hiekkalasien kääntämiseen ja kellojen kutsumiseen.

Mekaaniset kellot

Richard of Wallingford (1292–1336), Pyhän Albanin luostarin apotti, rakensi kuuluisasti mekaanisen kellon tähtitieteelliseksi orreryksi noin vuonna 1330.

Richard Wallingfordin aikaan mennessä räikän ja vaihteiden käyttö antoi Euroopan kaupungeille mahdollisuuden luoda mekanismeja, jotka näyttävät ajan omissa kaupunkikelloissaan; tieteellisen vallankumouksen aikaan kellot muuttuivat tarpeeksi pieniksi, jotta perheet voisivat jakaa henkilökohtaisen kellonsa tai ehkä taskukellon. Aluksi vain kuninkailla oli varaa niihin. Heilurikelloja käytettiin laajalti 1700- ja 1800 -luvuilla. Ne on suurelta osin korvattu yleisessä käytössä kvartsi- ja digitaalikelloilla . Atomikellot voivat teoriassa pitää tarkan ajan miljoonia vuosia. Ne sopivat standardeihin ja tieteelliseen käyttöön.

Galileo: ajan kulku

1583, Galileo Galilei (1564-1642) havaitsi, että heilurin harmoninen liike on vakio ajan, jonka hän oppi ajoittamalla liikkeen heiluvan lampun harmoninen liike on massa on katedraali Pisa , hänen pulssi .

Hänen Kaksi uutta Sciences (1638), Galileo käytetään vettä kellon mitata aikaa, jonka pronssi pallo roll tunnetun matkan alas kaltevaa tasoa ; tämä kello oli

"suuri vesiastia, joka oli asetettu korotettuun asentoon; tämän astian pohjaan juotettiin halkaisijaltaan pieni putki, joka antoi ohuen vesisuihkun, jonka keräsimme pieneen lasiin jokaisen laskeutumisen aikana, joko koko kanavan pituus tai osa sen pituudesta; näin kerätty vesi punnittiin jokaisen laskun jälkeen erittäin tarkasti; näiden painojen erot ja suhteet antoivat meille aikojen erot ja suhteet, ja tämä tarkkuus, että vaikka toimenpide toistettiin monta kertaa, tuloksissa ei ollut havaittavaa eroa. "

Galileon kokeellinen kokoonpano mitata kirjaimellista ajan kulkua kuvatakseen pallon liikettä edeltää Isaac Newtonin lausumaa Principiassa :

En määrittele aikaa , tilaa , paikkaa ja liikettä kaikkien tiedossa.

Galilein muunnokset oletetaan, että aika on sama kaikille viite kehyksiä .

Newtonin fysiikka: lineaarinen aika

Tai noin 1665, kun Isaac Newton (1643-1727) johdettu kohteiden liikkeen kuuluvien painovoiman , ensimmäinen kirkas formulaatio matemaattisen fysiikan ja hoidossa aika alkoi: lineaarinen aika, pidetään osana yleistä kello .

Absoluuttinen, tosi ja matemaattinen aika itsestään ja luonteestaan ​​virtaa tasapuolisesti ottamatta huomioon mitään ulkoista, ja toisella nimellä sitä kutsutaan kestoksi: suhteellinen, näennäinen ja yhteinen aika, on järkevää ja ulkoista (onko se tarkka vai epätasa -arvoinen) ) keston mittaus liikkeen avulla, jota käytetään yleisesti todellisen ajan sijasta; kuten tunti, päivä, kuukausi, vuosi.

Vesikello kuvattu mekanismi Galileon on suunniteltu tarjoamaan laminaarisen virtauksen veden kokeiden aikana, jolloin saadaan jatkuva virtaus veden kestot kokeita, ja johon sisältyy mikä Newton kutsutaan kesto .

Tässä osassa alla luetellut suhteet käsittelevät aikaa parametrina, joka toimii indeksinä tarkasteltavan fyysisen järjestelmän käyttäytymiseen. Koska Newtonin sujuvuudet käsittelevät lineaarista ajanvirtausta (mitä hän kutsui matemaattiseksi ajaksi ), aikaa voitaisiin pitää lineaarisesti vaihtelevaksi parametriksi, abstraktiona tunnin kulkuesta kellon edessä. Kalenterit ja aluksen lokit voitaisiin sitten kartoittaa tuntien, päivien, kuukausien, vuosien ja vuosisatojen marssiin.

Edellytykset
differentiaaliyhtälöt osittaiset differentiaaliyhtälöt

Termodynamiikka ja peruuttamattomuuden paradoksi

Vuoteen 1798 mennessä Benjamin Thompson (1753–1814) oli havainnut, että työ voitaisiin muuttaa lämmöksi ilman rajoituksia - energian säilyttämisen tai

• Termodynamiikan ensimmäinen laki

Vuonna 1824 Sadi Carnot (1796-1832) tieteellisesti analysoitu höyrykone hänen Carnot sykli , abstrakti moottori. Rudolf Clausius (1822–1888) pani merkille häiriön tai entropian , joka vaikuttaa jatkuvasti vähenevään vapaan energian määrään, joka on saatavilla Carnot -moottorille:

• Termodynamiikan toinen laki

Siten termodynaamisen järjestelmän jatkuva marssi pienemmästä suurempaan entropiaan missä tahansa lämpötilassa määrittelee ajan nuolen . Stephen Hawking tunnistaa erityisesti kolme ajan nuolta:

• Ajan psykologinen nuoli - käsityksemme vääjäämättömästä virrasta.
• Ajan termodynaaminen nuoli - erottuu entropian kasvusta .
• Ajan kosmologinen nuoli - erottuu maailmankaikkeuden laajentumisesta.

Ajan myötä entropia kasvaa eristetyssä termodynaamisessa järjestelmässä. Sitä vastoin Erwin Schrödinger (1887–1961) huomautti, että elämä riippuu "negatiivisesta entropiavirrasta" . Ilja Prigogine (1917–2003) totesi, että muutkin termodynaamiset järjestelmät, jotka elämän tavoin ovat myös kaukana tasapainosta, voivat myös esittää vakaita aika-ajallisia rakenteita, jotka muistuttavat elämää. Pian sen jälkeen raportoitiin Belousov – Zhabotinsky -reaktioista , jotka osoittavat värähtelevää väriä kemiallisessa liuoksessa. Nämä epätasapainon termodynaamiset haarat saavuttavat haarautumispisteen , joka on epävakaa, ja toinen termodynaaminen haara tulee vakaaksi sen sijaan.

Sähkömagneettisuus ja valon nopeus

Vuonna 1864 James Clerk Maxwell (1831–1879) esitti yhdistetyn teorian sähköstä ja magnetismista . Hän yhdisti kaikki tuolloin tiedossa olevat lait, jotka liittyvät näihin kahteen ilmiöön, neljään yhtälöön. Näiden vektori hammaskiven yhtälöitä, jotka käyttävät del operaattori ( ) tunnetaan Maxwellin yhtälöt varten sähkömagneettinen . ${\ displaystyle \ nabla}$

Vapaassa tilassa (eli tilassa, joka ei sisällä sähkövarauksia ) yhtälöt ovat muodoltaan (käyttäen SI -yksiköitä ):

Edellytykset
vektori merkintä osittaiset differentiaaliyhtälöt

${\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E} =-{\ frac {\ osittainen \ mathbf {B}} {\ osittainen}}}$

${\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {B} = \ mu _ {0} \ varepsilon _ {0} {\ frac {\ semi \ mathbf {E}} {\ osittainen t}} = {\ frac {1} {c^{2}}} {\ frac {\ osittainen \ mathbf {E}} {\ osittainen t}}}$

${\ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf {E} = 0}$

${\ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf {B} = 0}$

missä

ε ₀ ja μ ₀ ovat vapaan tilan sähköläpäisevyys ja magneettinen läpäisevyys ;

c = on valon nopeus vapaassa avaruudessa, 299 792 458 m / s ;${\ displaystyle 1/{\ sqrt {\ epsilon _ {0} \ mu _ {0}}}}$

E on sähkökenttä;

B on magneettikenttä.

Nämä yhtälöt mahdollistavat ratkaisut sähkömagneettisten aaltojen muodossa. Aallon muodostavat sähkökenttä ja magneettikenttä, jotka värähtelevät yhdessä kohtisuorassa toisiinsa nähden ja etenemissuuntaan nähden. Nämä aallot etenevät aina valon nopeudella c riippumatta niiden aiheuttaman sähkövarauksen nopeudesta.

Se tosiasia, että valon ennustetaan kulkevan aina nopeudella c, ei olisi yhteensopiva Galilean suhteellisuusteorian kanssa, jos Maxwellin yhtälöiden oletettaisiin pysyvän missä tahansa inertiakehyksessä (vertailukehys vakionopeudella), koska Galilean muunnokset ennustavat nopeuden pienenevän (tai kasvavan) valon kanssa rinnakkain (tai vastakkaisesti) kulkevan tarkkailijan viitekehyksessä.

Odotettiin olevan yksi absoluuttinen vertailukehys, loistava eetteri , jossa Maxwellin yhtälöt pysyivät muuttumattomina tunnetussa muodossa.

Michelson-Morley kokeilu ei havaita mitään eroa suhteellisen valon nopeudella, koska liikkeen maapallon suhteen valoeetteri, mikä viittaa siihen, että Maxwellin yhtälöt teki, itse asiassa, pitää kaikissa kehyksissä. Vuonna 1875 Hendrik Lorentz (1853–1928) löysi Lorentzin muunnokset , mikä jätti Maxwellin yhtälöt ennalleen, jolloin Michelsonin ja Morleyn negatiivinen tulos oli selitettävissä. Henri Poincaré (1854–1912) huomasi Lorentzin muutoksen tärkeyden ja suositteli sitä. Erityisesti rautatievaunun kuvaus löytyy artikkelista Science and Hypothesis , joka julkaistiin ennen Einsteinin artikkeleita vuonna 1905.

Lorentzin muunnos ennusti tilan supistumista ja ajan laajentumista ; Vuoteen 1905 asti ensimmäistä tulkittiin eetteriin nähden liikkuvien esineiden fyysiseksi supistukseksi, koska molekyylien väliset voimat muuttuivat (sähköisiä), kun taas jälkimmäisen uskottiin olevan vain matemaattinen ehto.

Einsteinin fysiikka: avaruusaika

Albert Einsteinin vuoden 1905 erityinen suhteellisuusteoria haastoi absoluuttisen ajan käsitteen ja pystyi vain muotoilemaan synkronoinnin määritelmän kelloille, jotka merkitsevät lineaarista ajanvirtausta:

Jos avaruuden pisteessä A on kello, tarkkailija kohdassa A voi määrittää tapahtumien aika -arvot A: n välittömässä läheisyydessä etsimällä näiden tapahtumien kanssa samanaikaiset käsien asennot. Jos avaruuden pisteessä B on toinen kello, joka muistuttaa kaikilta osin A: n kelloa, B: n tarkkailija voi määrittää B: n lähialueiden tapahtumien aika -arvot.

Mutta ilman lisäolettamuksia ei ole mahdollista verrata ajan suhteen tapahtumaa A: ssa tapahtumaan B: ssä. Olemme toistaiseksi määritelleet vain "A -ajan" ja "B -ajan".

Emme ole määritelleet yhteistä "aikaa" A: lle ja B: lle, sillä jälkimmäistä ei voida määritellä ollenkaan, ellemme määrittele määritelmän mukaan , että "aika", jonka valo vaatii kulkemaan paikasta A paikkaan B, on sama kuin aika, jonka se tarvitsee matkustaakseen aloita valonsäde kohdasta "A" t _A paikasta A suuntaan B, heijastuuko se "kellonaikana" t _B kohdasta B suuntaan A ja saavu jälleen paikkaan A ”a time” t " .

Määritelmän mukaan molemmat kellot synkronoivat, jos

${\ displaystyle t _ {\ text {B}}-t _ {\ text {A}} = t '_ {\ text {A}}-t _ {\ text {B}} {\ text {.}} \, \ !}$

Oletamme, että tämä synkronismin määritelmä ei sisällä ristiriitoja ja on mahdollinen monesta kohdasta; ja että seuraavat suhteet ovat yleisesti päteviä: -

1. Jos kello B: n kello synkronoituu kellon A kanssa, A: n kello synkronoituu kellon B kanssa.
2. Jos A -kello synkronoituu kellon B kanssa ja myös C -kellon kanssa, myös B: n ja C: n kellot synkronoituvat keskenään.

-  Albert Einstein, "Liikkuvien kappaleiden elektrodynamiikasta"

Einstein osoitti, että jos valon nopeus ei muutu vertailukehysten välillä, tilan ja ajan on oltava niin, että liikkuva tarkkailija mittaa saman valon nopeuden kuin paikallaan oleva, koska nopeus määräytyy avaruuden ja ajan mukaan:

${\ displaystyle \ mathbf {v} = {d \ mathbf {r} \ over dt} {\ text {,}}}$jossa r on sijainti ja t on aika.

Itse asiassa Lorentzin muunnos (kahdelle suhteellisen liikkeen vertailukehykselle, joiden x -akseli on suunnattu suhteellisen nopeuden suuntaan)

Edellytykset
algebra trigonometria

${\ displaystyle {\ begin {case} t '& = \ gamma (t-vx/c^{2}) {\ text {where}} \ gamma = 1/{\ sqrt {1-v^{2}/ c^{2}}} \\ x '& = \ gamma (x-vt) \\ y' & = y \\ z '& = z \ end {tapaukset}}}$

voidaan sanoa "sekoittavan" tilaa ja aikaa samalla tavalla kuin euklidinen kierto z -akselin ympäri sekoittaa x- ja y -koordinaatit. Tämän seurauksia ovat samanaikaisuuden suhteellisuus .

Tarkemmin sanottuna Lorentzin muunnos on hyperbolinen kierto, joka on koordinaattien muutos nelidimensionaalisessa Minkowskin avaruudessa , jonka ulottuvuus on ct . ( Euklidisen avaruudessa tavallinen kierto on vastaava koordinaattien muutos.) Valon nopeus c voidaan nähdä vain tarvittavana muuntokertoimena, koska mittaamme avaruusajan mitat eri yksiköissä; koska mittari on tällä hetkellä määritelty toiseksi, sen tarkka arvo on 299 792 458 m/s . Tarvitsisimme samanlaisen tekijän Euklidisen avaruudessa, jos esimerkiksi mittaisimme leveyden meripeninkulmissa ja syvyyden jaloissa. Fysiikassa joskus yhtälöitä yksinkertaistetaan mittayksiköillä, joissa c = 1 . ${\ displaystyle {\ begin {pmatrix} ct '\\ x' \ end {pmatrix}} = {\ begin {pmatrix} \ cosh \ phi &-\ sinh \ phi \\-\ sinh \ phi & \ cosh \ phi \ end {pmatrix}} {\ begin {pmatrix} ct \\ x \ end {pmatrix}} {\ text {where}} \ phi = \ operaationimi {artanh} \, {\ frac {v} {c}} { \teksti{,}}}$${\ displaystyle {\ begin {pmatrix} x '\\ y' \ end {pmatrix}} = {\ begin {pmatrix} \ cos \ theta &-\ sin \ theta \\\ sin \ theta & \ cos \ theta \ loppu {pmatrix}} {\ aloita {pmatrix} x \\ y \ end {pmatrix}}}$

Aika "liikkuvassa" vertailukehyksessä näkyy kuluvan hitaammin kuin "paikallaan" seuraavassa suhteessa (joka voidaan johtaa Lorentzin muunnoksella asettamalla ∆ x ′ = 0, ∆ τ = ∆ t ′):

${\ displaystyle \ Delta t = {{\ Delta \ tau} \ yli {\ sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}$

missä:

• ∆ τ on kahden tapahtuman välinen aika mitattuna liikkuvassa vertailukehyksessä, jossa ne tapahtuvat samassa paikassa (esim. Kaksi tikkiä liikkuvassa kellossa); sitä kutsutaan oikeaksi ajaksi kahden tapahtuman välillä;
• ∆ t on näiden kahden tapahtuman välinen aika, mutta mitattuna kiinteässä vertailukehyksessä;
• v on liikkuvan vertailukehyksen nopeus suhteessa paikallaan olevaan;
• c on valon nopeus .

Liikkuvien esineiden sanotaan siis osoittavan hitaampaa ajan kulumista . Tätä kutsutaan aikadilataatioksi .

Nämä muunnokset ovat voimassa vain kaksi kehysten vakio suhteellinen nopeus. Niiden naiivi soveltaminen muihin tilanteisiin synnyttää sellaisia paradokseja kuin kaksoisparadoksi .

Tämä paradoksi voidaan ratkaista käyttämällä esimerkiksi Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa , joka käyttää Riemannin geometriaa , geometriaa kiihdytetyissä, ei -tertiaalisissa viitekehyksissä. Käyttämällä metrinen tensor joka kuvaa Minkowskin tilaa :

${\ displaystyle \ left [(dx^{1})^{2}+(dx^{2})^{2}+(dx^{3})^{2} -c (dt)^{2} ) \ oikein],}$

Einstein kehitti geometrisen ratkaisun Lorentzin muunnokseen, joka säilyttää Maxwellin yhtälöt . Hänen kenttäyhtälönsä antavat tarkan suhteen tilan ja ajan mittausten välillä tietyllä aika -alueella ja kyseisen alueen energiatiheydellä.

Einsteinin yhtälöt ennustavat, että gravitaatiokenttien läsnäolon tulisi muuttaa aikaa (ks. Schwarzschildin metriikka ):

${\ displaystyle T = {\ frac {dt} {\ sqrt {\ left (1-{\ frac {2GM} {rc^{2}}} \ right) dt^{2}-{\ frac {1} { c^{2}}} \ vasen (1-{\ frac {2GM} {rc^{2}}} \ oikea)^{-1} dr^{2}-{\ frac {r^{2}} {c ^{2}}} d \ theta ^{2}-{\ frac {r ^{2}} {c ^{2}}} \ sin ^{2} \ theta \; d \ phi ^{2 }}}}}$

Missä:

${\ displaystyle T}$on kohteen painovoima -aikalaajeneminen etäisyydellä .${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle dt}$ on koordinaattiajan muutos tai koordinaattiaikaväli.

${\ displaystyle G}$on painovoimavakio

${\ displaystyle M}$on kentän tuottava massa

${\ displaystyle {\ sqrt {\ vasen (1-{\ frac {2GM} {rc^{2}}} \ oikea) dt^{2}-{\ frac {1} {c^{2}}} \ vasen (1-{\ frac {2GM} {rc^{2}}} \ oikea)^{-1} dr^{2}-{\ frac {r^{2}} {c^{2}}} d \ theta ^{2}-{\ frac {r ^{2}} {c ^{2}}} \ sin ^{2} \ theta \; d \ phi ^{2}}}}$on muutos oikeaan aikaan , tai välein oikeaan aikaan .${\ displaystyle d \ tau}$

Tai voitaisiin käyttää seuraavaa yksinkertaisempaa lähentämistä:

${\ displaystyle {\ frac {dt} {d \ tau}} = {\ frac {1} {\ sqrt {1- \ vasen ({\ frac {2GM} {rc^{2}}} \ oikea)}} }.}$

Toisin sanoen, mitä voimakkaampi painovoimakenttä (ja siten mitä suurempi kiihtyvyys ), sitä hitaammin aika kuluu. Ajan laajenemisen ennusteet vahvistavat hiukkasten kiihtyvyyskokeet ja kosmiset säde -todisteet, joissa liikkuvat hiukkaset hajoavat hitaammin kuin niiden vähemmän energiset vastineet. Painovoima -ajan laajeneminen aiheuttaa painovoimaisen punasiirtymän ja Shapiro -signaalin kulkuajan viiveet massiivisten kohteiden, kuten auringon, lähellä. Global Positioning System on myös muutettava signaaleja huomioon tämän vaikutuksen.

Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan vapaasti liikkuva hiukkanen jäljittää aika -avaruuden historian, joka maksimoi sen oikean ajan. Tätä ilmiötä kutsutaan myös maksimaalisen ikääntymisen periaatteeksi, ja Taylor ja Wheeler kuvailivat sitä seuraavasti:

"Äärimmäisen ikääntymisen periaate: Polku, jonka vapaa objekti kulkee avaruusajan kahden tapahtuman välillä, on polku, jolla kohteen rannekelloon tallennettu tapahtumien välinen aika on ääripää."

Einsteinin teorian taustalla oli olettamus, että kaikkia maailmankaikkeuden pisteitä voidaan käsitellä "keskuksena" ja että vastaavasti fysiikan on toimittava samalla tavalla kaikissa vertailukehyksissä. Hänen yksinkertainen ja tyylikäs teoria osoittaa, että aika on suhteessa hitauteen . Inertiakehyksessä Newtonin ensimmäinen laki pätee; sillä on oma paikallinen geometriansa ja siksi omat tilan ja ajan mittauksensa; universaalia kelloa ei ole . Synkronointitoimi on suoritettava vähintään kahden järjestelmän välillä.

Aika kvanttimekaniikassa

Kvanttimekaniikan yhtälöissä on aikaparametri . Schrödingerin yhtälö on

Edellytykset
fysiikka kvanttimekaniikka

${\ displaystyle H (t) \ vasen | \ psi (t) \ oikea \ rangle = i \ hbar {\ osittainen \ yli \ osittainen t} \ vasen | \ psi (t) \ oikea \ rangle}$

Yksi ratkaisu voi olla

${\ displaystyle | \ psi _ {e} (t) \ rangle = e^{-iHt/\ hbar} | \ psi _ {e} (0) \ rangle}$.

missä kutsutaan aikakehityksen operaattoria ja H on Hamiltonin operaattori . ${\ displaystyle e^{-iHt/\ hbar}}$

Mutta edellä esitetty Schrödingerin kuva vastaa Heisenbergin kuvaa , joka on samankaltainen kuin klassisen mekaniikan Poisson -hakasulkeet. Poisson Suluissa on korvattu nollasta poikkeava kommutaattorin , sanoa [H, A] ja havaittavia A, ja Hamiltonin H:

${\ displaystyle {\ frac {d} {dt}} A = (i \ hbar)^{-1} [A, H]+\ vasen ({\ frac {\ osittainen A} {\ osittainen t}} \ oikea ) _ {\ mathrm {klassinen}}.}$

Tämä yhtälö ilmaisee epävarmuussuhteen kvanttifysiikassa. Esimerkiksi ajan myötä (havaittavissa oleva A) energia E (Hamiltonin H: sta) antaa:

${\ displaystyle \ Delta E \ Delta T \ geq {\ frac {\ hbar} {2}}}$

missä

${\ displaystyle \ Delta E}$ on energian epävarmuus

${\ displaystyle \ Delta T}$ on epävarmuutta ajassa

${\ displaystyle \ hbar}$on Planckin vakio

Sitä enemmän juuri yksi mittaa kesto tapahtumasarja , vähemmän tarkasti voidaan mitata liittyvän energian, että sekvenssi, ja päinvastoin. Tämä yhtälö eroaa tavanomaisesta epävarmuusperiaatteesta, koska aika ei ole kvanttimekaniikan operaattori .

Vastaavat kommutaattorisuhteet pätevät myös vauhtiin p ja sijainti q , jotka ovat toistensa konjugaatteja muuttujia , sekä vastaava epävarmuusperiaate vauhdissa ja asennossa, samanlainen kuin yllä oleva energia- ja aikasuhde.

Kvanttimekaniikka selittää ominaisuuksia jaksollisen on elementtejä . Alkaen Otto Stern : n ja Walter Gerlach n koe molekyyli- palkit magneettikentässä, Isidor Rabi (1898-1988), kykeni moduloimaan magneettisen resonanssin palkin. Vuonna 1945 Rabi ehdotti sitten, että tämä tekniikka olisi perusta kellolle, joka käyttää atomisäteen resonanssitaajuutta .

Dynaamiset järjestelmät

Katso dynaamisia järjestelmiä ja kaaosteoriaa , hajottavia rakenteita

Voitaisiin sanoa, että aika on dynaamisen järjestelmän parametrointi , joka mahdollistaa järjestelmän geometrian ilmentymisen ja käytön. On väitetty, että aika on implisiittinen seuraus kaaos (eli epälineaarisuus / korjautumattomuus ): ominainen aika , tai nopeus informaatioentropian tuotantoa, on järjestelmä . Mandelbrot esittelee luontaisen ajan kirjassaan Multifractals ja 1/f kohina .

Merkinanto

Edellytykset
Sähkötekniikka signaalinkäsittely

Merkinanto on yksi edellä kuvattujen sähkömagneettisten aaltojen sovellus . Yleensä signaali on osa osapuolten ja paikkojen välistä viestintää . Yksi esimerkki voi olla puuhun sidottu keltainen nauha tai kirkonkellon soitto . Signaali voi olla osa keskustelua , johon liittyy protokolla . Toinen signaali voi olla tuntiosoitimen sijainti kaupungin kellossa tai rautatieasemalla. Kiinnostunut osapuoli saattaa haluta nähdä kellon ja oppia ajan. Katso: Aikapallo , aikaisen signaalin varhainen muoto .

Me tarkkailijoina voimme silti ilmoittaa eri osapuolille ja paikoille niin kauan kuin elämme niiden menneisyyden valokeilassa . Mutta emme voi vastaanottaa signaaleja niiltä osapuolilta ja paikoista, jotka ovat menneisyyden valokeilamme ulkopuolella .

Sähkömagneettisen aallon yhtälöiden muotoilun ohella voitaisiin perustaa tietoliikenneala . 19. vuosisadan telegraphy , sähkövirtapiirejä , jotkut ulottuu mantereilla ja valtamerten , voisi lähettää koodit - yksinkertainen pisteitä, viivoja ja välejä. Tästä on syntynyt joukko teknisiä ongelmia; katso Luokka: Synkronointi . Mutta on turvallista sanoa, että merkinantojärjestelmämme voivat olla vain suunnilleen synkronoituja , plesiochronous -tila , josta tärinä on poistettava.

Siitä huolimatta järjestelmät voidaan synkronoida (suunnittelulähestymistavalla) käyttämällä GPS -tekniikoita . GPS -satelliittien on otettava huomioon painovoiman ja muiden relativististen tekijöiden vaikutukset piirissään. Katso: Itse kelluva signaali .

Tekniikka kellonajan standardeja varten

Ensisijainen aika standardi Yhdysvalloissa on tällä hetkellä NIST-F1 , joka on laser -cooled Cs lähde, uusin sarjassa ajan ja taajuuden standardeja, mistä ammoniakki pohjainen atomikellon (1949) on cesium -pohjainen NBS-1 ( 1952) NIST-7: ään (1993). Vastaava kellon epävarmuus laski 10 000 nanosekunnista päivässä 0,5 nanosekuntiin päivässä 5 vuosikymmenen aikana. Vuonna 2001 kellon epävarmuus NIST-F1: lle oli 0,1 nanosekuntia/päivä. Yhä tarkempien taajuusstandardien kehittäminen on käynnissä.

Tässä aika- ja taajuusstandardissa cesiumatomien populaatio jäähdytetään laserilla yhden mikrokelvin lämpötilaan . Atomit kerääntyvät palloksi, jonka muodostaa kuusi laseria, kaksi kullekin tilaulottuvuudelle, pystysuora (ylös/alas), vaakasuora (vasen/oikea) ja edestakaisin. Pystysuorat laserit työntävät cesiumkuulaa mikroaaltouunin läpi. Kun pallo jäähdytetään, cesium väestön jäähtyy perustilaansa ja säteilee valoa sen luonnollinen taajuus, totesi määritelmään toisen edellä. 11 fyysistä vaikutusta otetaan huomioon cesiumpopulaation päästöissä, joita sitten ohjataan NIST-F1-kellossa. Nämä tulokset raportoidaan BIPM: lle .

Lisäksi, viittaus vety maserin on myös raportoitu BIPM kuin taajuus standardi TAI ( kansainvälinen atomi aika ).

Mittaus aika valvovat BIPM ( Bureau International des Poids et Mesures ), joka sijaitsee Sèvres , Ranska, joka varmistaa yhdenmukaisuuden mittauksia ja niiden jäljitettävyys kansainvälisen mittayksikköjärjestelmän ( SI ) maailmassa. BIPM toimii Meter-yleissopimuksen alaisuudessa , joka on diplomaattinen sopimus viisikymmentäyhden kansakunnan, yleissopimuksen jäsenvaltioiden, välillä neuvoa-antavien komiteoiden kautta, joiden jäsenet ovat vastaavat kansalliset metrologialaboratoriot .

Aika kosmologiassa

Yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt ennustavat ei-staattista universumia. Kuitenkin Einstein hyväksyi vain staattisen maailmankaikkeuden ja muutti Einsteinin kenttäyhtälöä vastaamaan tätä lisäämällä kosmologisen vakion , jonka hän myöhemmin kuvaili elämänsä suurimmaksi virheeksi. Mutta vuonna 1927 Georges Lemaître (1894–1966) väitti yleisen suhteellisuusteorian perusteella , että maailmankaikkeus syntyi alkuräjähdyksessä. Saman vuoden viidennessä Solvay -konferenssissa Einstein harjasi hänet pois sanalla " Vos calculs sont korjaa, mais votre physique est in preominable ". Vuonna 1929 Edwin Hubble (1889–1953) ilmoitti löytäneensä laajenevan maailmankaikkeuden . Nykyisellä yleisesti hyväksytyllä kosmologisella mallilla, Lambda-CDM-mallilla , on positiivinen kosmologinen vakio ja siten ei vain laajeneva universumi, vaan myös kiihtyvä laajeneva universumi.

Jos maailmankaikkeus laajeni, sen on täytynyt olla paljon pienempi ja siksi kuumempi ja tiheämpi aiemmin. George Gamow (1904–1968) oletti, että alkuaineiden jaksollisen järjestelmän alkuaineiden runsaus saattaa johtua ydinreaktioista kuumassa tiheässä universumissa. Fred Hoyle (1915–2001) kiisti hänet , joka keksi termin " Big Bang " halventamaan sitä. Fermi ja muut totesivat, että tämä prosessi olisi pysähtynyt vain kevyiden elementtien luomisen jälkeen, eikä siten ottanut huomioon raskaampien elementtien määrää.

Gamow ennusti maailmankaikkeuden 5–10 kelvinin mustan kappaleen säteilylämpötilaa sen jälkeen, kun se oli jäähtynyt laajentumisen aikana. Tämän vahvistivat Penzias ja Wilson vuonna 1965. Myöhemmät kokeet saavuttivat 2,7 kelvinin lämpötilan, joka vastasi maailmankaikkeuden ikää 13,8 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

Tämä dramaattinen tulos on herättänyt kysymyksiä: mitä tapahtui alkuräjähdyksen ainutlaatuisuuden ja Planckin ajan välillä, joka on loppujen lopuksi pienin havaittavissa oleva aika. Milloin aika voi olla erotettu avaruusaika -vaahdosta ; on vain vihjeitä, jotka perustuvat rikkoutuneisiin symmetriaan ( ks.Spontaaninen symmetrian rikkominen , Alkuräjähdyksen aikajana ja artikkelit luokassa: Fyysinen kosmologia ).

Yleinen suhteellisuusteoria antoi meille nykyaikaisen käsityksemme laajenevasta maailmankaikkeudesta, joka alkoi alkuräjähdyksessä. Käyttäen suhteellisuusteoriaa ja kvanttiteoriaa olemme pystyneet suunnilleen rekonstruoimaan maailmankaikkeuden historian. Meidän aikakausi , jonka aikana sähkömagneettiset aallot voivat edetä ilman häiritseviä johtimia tai maksuja, voimme nähdä tähdet, suurilla etäisyyksillä meiltä, yötaivaalla. (Ennen tätä aikakautta oli aika, ennen kuin maailmankaikkeus jäähtyi tarpeeksi, jotta elektronit ja ytimet yhdistyisivät atomeiksi noin 377 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen , jolloin tähtivalo ei olisi ollut näkyvissä suurilla etäisyyksillä.)

Yllätys

Ilja Prigoginen toisto on " Aika ennen olemassaoloa " . Toisin kuin Newtonin, Einsteinin ja kvanttifysiikan näkemykset, jotka tarjoavat symmetrisen näkemyksen ajasta (kuten edellä keskusteltiin), Prigogine huomauttaa, että tilastollinen ja termodynaaminen fysiikka voi selittää peruuttamattomat ilmiöt sekä ajan ja Big Bang .

Katso myös

• Suhteellinen dynamiikka
• Luokka: yksikköjärjestelmät
• Aika tähtitieteessä

Viitteet

Lue lisää

• Boorstein, Daniel J., discoverers . Vintage. 12. helmikuuta 1985. ISBN  0-394-72625-1
• Dieter Zeh, H. , Ajan suunnan fyysinen perusta . Springer. ISBN  978-3-540-42081-1
• Kuhn, Thomas S. , Tieteellisten vallankumousten rakenne . ISBN  0-226-45808-3
• Mandelbrot, Benoît , Multifractals ja 1/f kohina . Springer Verlag. Helmikuu 1999. ISBN  0-387-98539-5
• Prigogine, Ilya (1984), Järjestys kaaoksesta . ISBN  0-394-54204-5
• Serres, Michel , et ai., " Conversations on Science, Culture, and Time (Studies in Literature and Science) ". Maaliskuu 1995. ISBN  0-472-06548-3
• Stengers, Isabelle ja Ilya Prigogine, Teoria rajojen ulkopuolella . University of Minnesota Press. Marraskuu 1997. ISBN  0-8166-2517-4

Ulkoiset linkit

• Media, joka liittyy aikaan fysiikassa Wikimedia Commonsissa