Время (физика)
Время — одно из основных понятий физики и философии, одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел, а также сознание.
В диалектическом материализме время — это объективно реальная форма существования движущейся материи, характеризующая последовательность развёртывания материальных процессов, отделённость друг от друга разных стадий этих процессов, их длительность, их развитие.
В количественном (метрологическом) смысле понятие время имеет два аспекта:
Содержание
Свойства времени
В классической физике, время — непрерывная величина, априорная характеристика мира, ничем не определяемая. В качестве основы измерения просто берётся некая последовательность событий, про которую считается несомненно верным, что она происходит через равные промежутки времени, то есть периодична. Именно на этом принципе и основаны часы. Такая же роль времени и в квантовой механике: несмотря на квантование почти всех величин, время осталось внешним, неквантованным параметром. В обоих случаях «скорость течения времени» не может ни от чего зависеть, а потому тавтологически равна константе.
В релятивистской физике ситуация кардинально меняется. Время рассматривается как часть единого пространства-времени, и, значит, может меняться при его преобразованиях. Можно сказать, что время становится четвёртой координатой, правда, в отличие от пространственных координат, она обладает противоположной сигнатурой. «Скорость течения времени» становится понятием «субъективным», зависящим от системы отсчёта. Ситуация усложняется в общей теории относительности, где «скорость течения времени» зависит также и от близости к гравитирующим телам.
Физическая интерпретация вышеназванных теорий требует нового определения времени, как числа процессов в системе отсчёта, произошедших одновременно с данным процессом. Система отсчёта времени может быть неравномерная (как процесс вращения Земли вокруг Солнца) или равномерная. Эталон секунды — период излучения, соответствующий переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями.
Отсчёт времени
Как в классической, так и в релятивистской физике для отсчёта времени используется временна́я координата пространства-времени, причём (традиционно) принято использовать знак «+» для будущего, а знак «-» — для прошлого. Однако смысл временно́й координаты в классическом и релятивистском случае различен (см. Ось времени).
Зависимость от времени
Поскольку состояния всего нашего мира зависят от времени, то и состояние какой-либо системы тоже может зависеть от времени, как обычно и происходит. Однако в некоторых исключительных случаях зависимость какой-либо величины от времени может оказаться пренебрежимо слабой, так что с высокой точностью можно считать эту характеристику независящей от времени. Если такие величины описывают динамику какой-либо системы, то они называются сохраняющимися величинами, или интегралами движения. Например, в классической механике полная энергия, полный импульс и полный момент импульса изолированной системы являются интегралами движения.
Различные физические явления можно разделить на три группы
Направленность времени
Большинство современных учёных полагают, что различие между прошлым и будущим является принципиальным. Согласно современному уровню развития науки, информация переносится из прошлого в будущее, но не наоборот. Второе начало термодинамики указывает также на накопление в будущем энтропии.
Общая характеристика
Скорость, время и расстояние являются физическими показателями, взаимосвязанными между собой процессом движения. На практике и теории известно равномерное и равноускоренное движение тел. Первый случай описывает постоянство времени, а второй — его изменение.
Основные понятия
Однозначное и конкретное определение тяжело сформулировать, но существуют разные концепции современной философской мысли в математике и физике. Течение времени является естественным процессом. Оно уходит, меняется все вокруг, совершаются разные события в мире, поэтому для физической меры характерен контекст событий.
Чтобы измерить время, нужно знать общие повторяющиеся события с одинаковым периодом. Это может быть смена дня, ночи или времени года. Чтобы определить единицу измерения времени (метр, час, секунда), ученые обращались к древнейшим источникам познаний.
Год состоит из двенадцати месяцев или четырех сезонов. Такое количество раз в весенний, летний, зимний и осенний периоды главный спутник Земли меняет свои фазы.
По мере развития прогресса измерение t модифицировалось, появлялись новые солнечные, водные, песчаные, огненные, механические, электронные и молекулярные измерители времени — часы.
Время включено в семь основных физических величин международной системы единиц СИ. Этот показатель используют для остальных составляющих. Четкое понимание t помогает проведению экспериментов и в обычной жизни.
Основной целью навигации и астрономии было измерение t. С 1000 по 1960 год секундное измерение воспринималось как 1/86400 дней. С 1970 г. это понятие видоизменилось, поскольку стала учитываться периодичность земной орбиты.
Самые точные мерила —швейцарские часы FOCS, измеряющие t с погрешностью хода в одну секунду за 30 млн лет.
Физическая величина отражает свойство материальных процессов, имеет определенную продолжительность, следует друг за другом. Взаимосвязан этот показатель с материей, движением, так как является формой его существования.
Длительность физического процесса, происходящего в определенной точке, устанавливают с помощью часов, расположенных в ней. Здесь используется прямое сравнение, уравнивается длительность процессов. Измерение продолжительности сводится к фиксированию начала и окончанию процесса на шкале. Когда говорят о фиксации показаний часов во время начала и завершения процесса, это не относится к фактическому месту их нахождения.
Теория относительности Эйнштейна меняет понимание времени, утверждая, что прогресс его не универсален и зависит от того, кто его изменяет. В такой картине реальности часы тикают с разной скоростью в зависимости от того, кто их носит.
Принимая большое ускорение или располагаясь рядом с сильными силами гравитации (вблизи черной дыры), можно изменить скорость течения времени, остановить его или возвратить. Для человека, находящегося внутри черной дыры, пространство и время кажутся взаимозаменяемыми, поэтому спуск в нее неизбежен, как и течение t вне этой области. Относительность уравнивает время и пространство.
Древняя система исчисления
До существования нашей эры люди привязывали отсчет времени к движению небесных тел или событий, связанных с ними. Древние народы искали основу для построения своей системы исчисления. В Вавилоне это было число 60, благодаря ему окружность содержит 360°, градус равен 60 минутам, а каждая из них состоит из 60 секунд.
Год представлялся окружностью в 360 градусов. Когда-то минимальной мерой исчисления был час. Жители Древнего Вавилона оказались сильны в математике, поэтому производили важные расчеты и решали задачи. Вводилась наименьшая единица времени. 60 минут составляют час, а в минуте столько же секунд.
Объяснение того, что сутки составляют 24 часа, а день делится пополам и равен 12 часам, выявили египтяне. Самой большой единицей измерения является индуистское и буддистское понятие Кальпа. Величина равна 4,32 млрд лет, что совпадает с возрастом планеты. Если перевести век Брахмы в обычные годы, получится 311 трлн и 40 млрд лет.
Первыми старинными часами являются солнечные мерила. Действие их основывается на изменении длины теней предметов по мере движения Солнца по небу. Такие часы внешне представляли собой длинный шест, воткнутый в землю. Затем возникли водяные, песчаные и огненные часы. Работа таких механизмов не привязывалась к движению Солнца, Луны либо звезд.
Первые механические мерила начали производиться мастерами Китая в 725 г. Жители Европы в Средние века устанавливали на башнях соборов часы, которые имели только одну часовую стрелку. Карманные измерители возникли в середине XVII века, а наручные намного позже.
В соответствии с международной системой измерения определение одной секунды привязано к периоду электромагнитного излучения, начинающемуся при переходе между тонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Одна секунда составляет 919 263 770 периодов.
Показатели физики
Не существует определенной концепции или класса времени. Показатель непрерывности процессов можно вычислить по формуле, проанализировать на графике или диаграмме.
Определения и концепции расчета
Термодинамика гласит, что время не вернуть. Его ход зависит от движения системы отсчета и может быть мгновенным.
Существует понятие «релятивистское замедление времени»: если часы находятся в неподвижной системе, то в движущемся теле все процессы замедлены. Этап старения для двух братьев-близнецов может пройти по-разному, если одного отправить в космос, а другого оставить на Земле. Человек в космосе не постареет, поскольку там изменяется масса его тела, а также замедляется гравитационное время. В условиях притяжения меняется ход часов. Чем сильнее поле гравитации, тем больше замедление. Между объектами, имеющими массу, создается взаимодействие.
Периодическая цепь событий рассчитывается неодинаково в зависимости от показателей. Зависимые величины:
Секунда — стандартная единица, характеризующая время. Его определение в физике представляется как продолжительный показатель. Время через расстояние и скорость вычисляется по формуле t=S/V. Стандартная расшифровка:
Когда скорость измеряется в км/ч, то и время выражается в часах. В любой системе события развиваются одновременно.
Формула времени при равноускоренном движении выглядит как t = (V — V0)/a или t = S/(V — V0), где V0 — начальная скорость, a — ускорение. Таблица показателей:
| Вид движения | Скорость (V) | Перемещение (S) | Время (t) |
| Равномерное | V = знак постоянства (const) | S = Vt | t = S/V |
| Равноускоренное | V = V0+at | S = V0t+at2/2 | t = V-V0/a |
Атом изотопа цезия за секунду совершает 9192631770 собственных квантовых переходов. В зависимости от его расположения секунда имеет разные значения.
Решение задач
Понять действие формул времени при равномерном движении или равноускоренном можно, решив задачу. Многие сайты предлагают онлайн-калькулятор для удобного подсчета. В соответствующие графы достаточно ввести основные данные, после чего программа рассчитает все самостоятельно.
Задача 1. Автомобиль ехал со скоростью 200 км/ч и проехал всего 80 км. Требуется определить время движения машины. Условные обозначения:
Показатели нужно перевести из километров в метры, из часов в секунды: 1 км = 1 тыс. м, 1 час = 3600 секунд. Получаем S = 80000 м, V= 200000/3600 = 55,55 м/с. Находим скорость по формуле: V= S/t = 80000/55,55 = 1440,14 сек.
Ответ: автомобиль пройдет 0,4 ч.
При неравномерном движении путь, пройденный телом, равен произведению средней скорости на время, в течение которого тело перемещалось.
Задача 2. Движение точки задано уравнением: х = 2t — 0,03t2. Нужно определить, в какой период скорость точки сближения сравняется с нулевой отметкой. Коэффициенты равны 2м/с, 0,03 м/с2.
Условия задачи содержат функцию x (t). Скорость можно вычислить по формуле V = dx/dt = 2 — 0,06t Приравниваем скорость к 0, находим t:
Задача 3. Самолет для взлета набирает 350 км/ч. Нужно определить время разгона, если скорость достигается в конце взлетной полосы длиной в 2 км. Движение считается равноускоренным.
При равноускоренном движении формула выглядит как S = V0t+at2/2. При этом V= V0+at. Разгон самолета начинается с состояния покоя, то есть V0 = 0.
t= 2S/V = 2*2000/97,2 = 41,15.
Благодаря вычислению известно, что разгон самолета длится 41,15 сек.
Задача 4. Скорость конькобежца составляет 15 м/с. Нужно вычислить время, за которое он пробежит путь 3 км.
t = S/V = 3000/15 = 200
Ответ: за 200 секунд конькобежец пробежит 3 км.
Современная наука распределяет известные представления о времени в разные концепции — относительную и вещественную. По мнению относительной, в природе не существует временных рамок, а понятие времени является отношением между событиями. Время — проявление свойств физических тел и изменений, оно статично, как и пространство.
Основная особенность используемых в настоящее время систем единиц состоит в том, что между единицами разных величин имеются определенные соотношения. Эти соотношения установлены теми физическими законами (определениями), которыми связываются между собой измеряемые величины. Так, единица скорости выбрана таким образом, что она выражается через единицы расстояния и времени. При выборе единиц скорости используется определение скорости. Единицу силы, например, устанавливают при помощи второго закона Ньютона.
При построении определенной системы единиц, выбирают несколько физических величин, единицы которых устанавливают независимо друг от друга. Единицы таких величин называют основными. Единицы остальных величин выражают через основные, их называют производными.
Таблица единиц измерения «Пространство и время»
Физическая величина
Символ
Единица измерения физической величины
Ед. изм. физ. вел.
Описание
Примечания
l, s, d
Протяжённость объекта в одном измерении.
Протяженность объекта в двух измерениях.
Протяжённость объекта в трёх измерениях.
α, φ
Величина изменения направления.
α, β, γ
Быстрота изменения координат тела.
метр в секунду в квадрате
м/с 2
Быстрота изменения скорости объекта.
рад/с =
Скорость изменения угла.
радиан на секунду в квадрате
рад/с 2 =
Быстрота изменения угловой скорости
Таблица единиц измерения «Механика»
Физическая величина
Символ
Единица измерения физической величины
Ед. изм. физ. вел.
Описание
Примечания
Величина, определяющая инерционные и гравитационные свойства тел.
килограмм на кубический метр
кг/м 3
Масса на единицу объёма.
Масса на единицу площади.
кг/м 2
Отношение массы тела к площади его поверхности
Масса на единицу длины.
Отношение массы тела к его линейному параметру
кубический метр на килограмм
м 3 /кг
Объём, занимаемый единицей массы вещества
килограмм в секунду
Масса вещества, которая проходит через заданную площадь поперечного сечения потока за единицу времени
кубический метр в секунду
м 3 /с
Объёмный расход жидкости или газа
килограмм-метр в секунду
кг•м/с
Произведение массы и скорости тела.
экстенсивная, сохраняющаяся величина
килограмм-метр в квадрате в секунду
кг•м 2 /с
Мера вращения объекта.
килограмм-метр в квадрате
кг•м 2
Мера инертности объекта при вращении.
Действующая на объект внешняя причина ускорения.
Произведение силы на длину перпендикуляра, опущенного из точки на линию действия силы.
Произведение силы на время её действия
Давление, механическое напряжение
Па = (кг/(м·с 2 ))
Сила, приходящаяся на единицу площади.
Дж = (кг·м 2 /с 2 )
Скалярное произведение силы и перемещения.
Дж = (кг·м 2 /с 2 )
Способность тела или системы совершать работу.
экстенсивная, сохраняющаяся величина, скаляр
Вт = (кг·м 2 /с 3 )
Скорость изменения энергии.
Таблица единиц измерения «Периодические явления, колебания и волны»
Физическая величина
Символ
Единица измерения физической величины
Ед. изм. физ. вел.
Описание
Примечания
Промежуток времени, за который система совершает одно полное колебание
Частота периодического процесса
Число повторений события за единицу времени.
Циклическая (круговая) частота
рад/с
Циклическая частота электромагнитных колебаний в колебательном контуре.
секунда в минус первой степени
Периодический процесс, равный числу полных циклов, совершённых за единицу времени.
Расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе.
метр в минус первой степени
Пространственная частота волны
Таблица единиц измерения «Тепловые явления»
Физическая величина
Символ
Единица измерения физической величины
Ед. изм. физ. вел.
Описание
Примечания
Средняя кинетическая энергия частиц объекта.
кельвин в минус первой степени
Зависимость электрического сопротивления от температуры
gradT
Изменение температуры на единицу длины в направлении распространения теплоты.
Теплота (количество теплоты)
Дж = (кг·м 2 /с 2 )
Энергия, передаваемая от одного тела к другому немеханическим путём
джоуль на килограмм
Дж/кг
Кол-во теплоты, которое необходимо подвести к веществу, взятому при температуре плавления, чтобы расплавить его.
Кол-во теплоты, поглощаемой (выделяемой) телом в процессе нагревания.
джоуль на килограмм-кельвин
Дж/(кг•К)
Теплоёмкость единичной массы вещества.
джоуль на килограмм
Дж/кг
Мера необратимого рассеивания энергии или бесполезности энергии.
Таблица единиц измерения «Молекулярная физика»
Физическая величина
Символ
Единица измерения физической величины
Описание
Примечания
моль
Количество однотипных структурных единиц, из которых состоит вещество.
M, μ
кг/моль
Отношение массы вещества к количеству молей этого вещества.
Дж/моль
Энергия термодинамической системы.
джоуль на моль-кельвин
Дж/(моль•К)
Теплоёмкость одного моля вещества.
метр в минус третьей степени
Число молекул, содержащихся в единице объема.
килограмм на кубический метр
кг/м 3
Отношение массы компонента, содержащегося в смеси, к объёму смеси.
моль на кубический метр
моль/м 3
Содержание компонента относительно всей смеси.
В, μ
квадратный метр на вольт-секунду
м 2 /(В•с)
Коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей и приложенным внешним электрическим полем.
Таблица единиц измерения «Электричество и магнетизм»
Физическая величина
Символ
Единица измерения физической величины
Ед. изм. физ. вел.
Описание
Примечания
Протекающий в единицу времени заряд.
ампер на квадратный метр
А/м 2
Сила электрического тока, протекающего через элемент поверхности единичной площади.
Кл = (А·с)
Способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.
экстенсивная, сохраняющаяся величина
Электрический дипольный момент
Электрические свойства системы заряженных частиц в смысле создаваемого ею поля и действия на неё внешних полей.
кулон на квадратный метр
Кл/м 2
Процессы и состояния, связанные с разделением каких-либо объектов, преимущественно в пространстве.
Изменение потенциальной энергии, приходящееся на единицу заряда.
Работа сторонних сил (некулоновских) по перемещению заряда.
Отношение силы F, действующей на неподвижный точечный заряд, помещённый в данную точку поля, к величине этого заряда q
Мера способности проводника накапливать электрический заряд
Ом = (м 2 ·кг/(с 3 ·А 2 ))
сопротивление объекта прохождению электрического тока
Удельное электрическое сопротивление
Способность материала препятствовать прохождению электрического тока
Способность тела (среды) проводить электрический ток
Векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля
Величина, учитывающая интенсивность магнитного поля и занимаемую им область.
Напряженность магнитного поля
Разность вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M
А•м 2
Величина, характеризующая магнитные свойства вещества
Величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела.
Коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и полным магнитным потоком
Дж = (кг·м 2 /с 2 )
Энергия, заключенная в электромагнитном поле
Объемная плотность энергии
джоуль на кубический метр
Дж/м 3
Энергия электрического поля конденсатора
Мощность в цепи переменного тока
Величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи переменного тока
Суммарная мощность с учетом активной и реактивной ее составляющих, а также отклонения формы тока и напряжения от гармонической
Таблица единиц измерения «Оптика, электромагнитное излучение»
Физическая величина
Символ
Единица измерения физической величины
Ед. изм. физ. вел.
Описание
Примечания
Количество световой энергии, излучаемой в заданном направлении в единицу времени.
Световая, экстенсивная величина
Физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения
Физическая величина, характеризует способность энергии, переносимой светом, вызывать у человека зрительные ощущения
Отношение светового потока, падающего на малый участок поверхности, к его площади.
люмен на квадратный метр
лм/м 2
Световая величина, представляющая собой световой поток
кандела на квадратный метр
кд/м 2
Сила света, излучаемая единицей площади поверхности в определенном направлении
Дж = (кг·м 2 /с 2 )
Энергия, переносимая оптическим излучением
Таблица единиц измерения «Акустика»
Физическая величина
Символ
Единица измерения физической величины
Ед. изм. физ. вел.
Описание
Примечания
Переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны
кубический метр в секунду
м 3 /с
Отношение объема сырья, подаваемого в реактор в час к объему катализатора
Скорость распространения упругих волн в среде
ватт на квадратный метр
Вт/м 2
Величина, характеризующая мощность, переносимую звуковой волной в направлении распространения
скалярная физическая величина
паскаль-секунда на кубический метр
Па•с/м 3
Отношение амплитуды звукового давления в среде к колебательной скорости её частиц при прохождении через среду звуковой волны
ньютон-секунда на метр
Указывает силу, необходимую для движения тела при каждой частоте
Физическая величина
Символ
Единица измерения физической величины
Ед. изм. физ. вел.
Описание
Примечания
Масса объекта, находящегося в состоянии покоя.
Величина, выражающая влияние внутренних взаимодействий на массу составной частицы
Элементарный электрический заряд
Минимальная порция (квант) электрического заряда, наблюдающегося в природе у свободных долгоживущих частиц
Дж = (кг·м 2 /с 2 )
Разность между энергией состояния, в котором составляющие части системы бесконечно удалены
Период полураспада, среднее время жизни
Время, в течение которого система распадается в примерном отношении 1/2
Величина, характеризующая вероятность взаимодействия элементарной частицы с атомным ядром или другой частицей
Величина, равная отношению общего числа распадов радиоактивных ядер нуклида в источнике ко времени распада
Энергия ионизирующего излучения
Дж = (кг·м 2 /с 2 )
Вид энергии, высвобождаемой атомами в форме электромагнитных волн (гамма- или рентгеновское излучение) или частиц
Поглощенная доза ионизирующего излучения
Доза, при которой массе 1 кг передаётся энергия ионизирующего излучения в 1 джоул
Эквивалентная доза ионизирующего излучения
Поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества
Экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения
кулон на килограмм
Кл/кг
отношение суммарного электрического заряда ионов одного знака от внешнего гамма-излучения
Обозначения в физике с несколькими буквами
Специальные символы
Для удобства написания и чтения в среде ученых физиков принято использовать специальные символы, характеризующие те или иные явления и свойства.
Скобки
В физике принято использовать не только формулы, которые применяют в математике, но и специализированные скобки.
Диакритические знаки
Диакритические знаки добавляются к символу физической величины для обозначения определённых различий. Ниже диакритические знаки добавлены для примера к букве x.