«Время.
Приборы и способы
для его измерения»
Выполнила Сорокина Елена
9кл. МБОУ «Гимназия»
Научный руководитель
Белая Елена Ильинична
2018-2019
Содержание
1. Введение ……………………………………………………………..……..3
2. Глава1. Время с древнейших дней …………………………….…..…….4
· Мифология времени ……………………………………………..…….4
· Измерение времени ……………………………………………..……..5
3. Глава 2. Опыт: точность измерительных приборов ……………………8
4. Глава 3. Дальнейшее развитие часов ……………………………………10
5. Глава 4. Самые точные часы …………………………………………….12
6. Глава 5. Эталон Измерения ………………………………………………14
7. Глава 6. Понятие времени…………………………………………………….17
8. Глава 7. Временные парадоксы ………………………………………….20
9. Выводы ……………………………………………………………………..25
10. Источники .............................................................................................27
11. Приложения …………………………………………………..…………..28
Введение
Каждый человек ежедневно сталкивается со временем. Оно пролетает за секунды или может растягиваться на столетия, нам вечно не хватает его на важные дела, и, конечно же, невозможно представить жизнь современного человека без приборов для измерения времени. Практически у каждого есть наручные часы. Для любого человека понимание сущности времени очень актуально.
Пространство и время — категории, обозначающие основные формы существования материи, основные понятия всех разделов физики. Они играют главную роль на эмпирическом уровне физического познания — непосредственное содержание результатов наблюдений и экспериментов состоит в фиксации пространственно-временных совпадений. Пространство и время служат также одними из важнейших средств конструирования теоретических моделей, интерпретирующих экспериментальные данные, обеспечивая отождествление и различение (индивидуализацию) отдельных фрагментов материальной действительности, пространство и время имеют решающее значение для построения физической картины мира. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время — порядок смены явлений.
Может ли кто-нибудь сказать: "Что же такое время?" Все мы настолько привыкли к его существованию, как к чему-то совершенно естественному, что даже не задумываемся о том, чем же оно является. Поиск конкретного ответа на этот вопрос составил для нас проблему исследования.
Цель исследования: узнать, что такое время, как его измеряли и продолжают измерять с самой древности по наши дни.
Предмет исследования: время как философская категория и как физическая величина.
Объект исследования: приборы для измерения времени.
Гипотеза исследования – если мы объясним себе, что такое время, то физические законы мира станут объективно понятнее.
Глава 1: Время с древнейших дней
Мифология времени
Время с древнейших дней интересовало человечество, и этот интерес нашел отражение в мифах. Согласно мифологии, до начала времён были только изначальные боги — Хронос и Ананке. Ананке был змеем, обвившимся вокруг яйца мира, и символом вечности. Хронос (см. Приложение 1) был тем, кто отвечал за смену времён года и за течение времени в целом. В греко-римской мифологии его часто изображают человеком, который может быть как молодым, так и старым. Именно от имени бога произошел термин хронология, означающий последовательность исторических событий во времени.
Но за события, происходящие с мужчинами и женщинами в течение этого времени, отвечал не Хронос. Время было бессильно над людьми. А за жизненный цикл человека, его рождение, взросление, старение и смерть, был областью ответственности тех, кого называли богинями судьбы — Мойрами. Клото пряла нить жизни, Лахезис определяла человеческую судьбу, и наконец, Атропос перерезала нить, и жизнь человека на этом заканчивалась.
Измерение времени
Первые измерения времени в нашей части света восходят к Древнему Египту. Великие посвященные жрецы отвечали за наименование текущих часов дня. Первый дневной час звался "сияющим", шестой именовался "итоговым", а первый час тьмы знаменовал "поражение врагов Ра".
В Х—VIII веках до н. э. египтяне поклонялись не только времени как таковому, но и различным хитроумным устройствам для его измерения и астрономических наблюдений. С этой целью использовались теневые часы, называющиеся гномон и состоящие из разграфленной шкалы и двух угольников с отвесом (см. Приложение 2). Фиксируя положение Полярной звезды на заранее приготовленных таблицах, ученые священнослужители прослеживали течение времени. На основе этих наблюдений они сделали выводы о том, что Земля вращается, причем вращение это двойное.
Один оборот она совершает вокруг Солнца, меняя при этом свое положение относительно прочих светил. Этим как раз и воспользовались древнеегипетские жрецы. Оборот вокруг Солнца, вычислили они, составляет примерно 365 с четвертью дней (теперь-то мы знаем, какие трудности вызвала эта четвертушка у специалистов-хронографов всех эпох!). Кроме оборота вокруг небесного светила, Земля также вращается вокруг своей оси; при этом часть земной поверхности пребывает во мраке, а другая освещается солнечным светом, откуда и берутся день и ночь.
В дальнейшем египтяне отказались от теневых часов в пользу простейшего устройства, представлявшего собой не что иное, как предшественника солнечных часов. Принцип его прост: тень от воткнутого в землю шеста перемещается в соответствии с ходом вращения Земли, и остается лишь нанести цифры на основание, чтобы увидеть, как бегут дневные часы (см. Приложения 3 и 4). Солнечные часы, в целом удовлетворяя потребностям изменения времени эпохи, однако, являлись скверным помощником при плохой погоде. К тому же их нельзя было использовать ночью.
И тогда была изобретена клепсидра (водяные часы), до некоторой степени решившая эти проблемы. Впрочем, точность измерения не увеличилась. Сама клепсидра — градуированный резервуар с водой и крошечным отверстием в основании, позволяла узнавать время и ночью, но теряла эффективность в холодную погоду, когда вода начинала замерзать (см. Приложение 5).
Такое положение сохранилось на протяжении более чем десяти веков. Юлий Цезарь мимоходом разделил год на 365 дней, решив проблему оставшейся четверти присоединением лишнего дня к последнему месяцу года один раз в каждое четырехлетие: так возник високосный год. Этот, так называемый юлианский, календарь унаследовали европейские христианские страны, усовершенствовали его и назвали григорианским. Иудеи, а вслед за ними и мусульмане, отдавали предпочтение лунному календарю. Цикл вращения Луны вокруг Земли составляет 29 с половиной дней, поэтому на протяжении веков в календарях этих народов смещались даты.
Между тем в XI веке было сделано изобретение, которому сулили блестящее будущее, — городские (башенные) часы (см. Приложение 6). Дальнейший взлет часового дела начался с экономическим подъемом в XIII веке. Часы в это время пользовались особым уважением — ведь они позволяли соблюдать расписание церковных служб, а также регулировали городскую жизнь в целом. Непривычный для средневекового человека механизм, огромный и весивший порой многие тонны, имел несомненное преимущество перед всеми другими приборами для измерения времени: он одинаково и бесперебойно отсчитывал точное время днем и ночью, зимой и летом. Этого позволял добиться горизонтальный балансир с двумя равновесными гирями на концах и сложная система зубчатых передач. Когда гиря опускалась, ее удерживали штанга и балансир, а энергия передавалась зубчатым колесикам часов (см. Приложение 7).
Однако колебания не обладали большой точностью, и зачастую часы того времени отставали на час, а то и больше. Отставал и календарь — вследствие той самой четверти дня, скапливающейся на 365 дней. В какое-то время погрешность достигла такой степени, что папе Григорию XIII пришлось в октябре 1582 года попросту вычеркнуть из календаря четверг четвертого и пятницу пятнадцатого числа. В XV веке, с изобретением пружинного механизма часы стали точнее и размеры их уменьшились. Однако пружина быстро ослабевала, и это опять-таки влекло за собой значительное отклонение хода. Но даже эти несовершенные механические часы получали все большее распространение.
Впрочем, многих по-прежнему привлекали солнечные часы, а также изобретенные примерно в это же время песочные. Последние состояли из двух стеклянных резервуаров, соединенных тоненькой трубкой, через которую из одного сосуда в другой текла струйка песка (см. Приложение 8). Неточные и требующие постоянного переворачивания песочные часы все же пришлись ко двору. К примеру, ими нередко пользовались моряки до XVIII века. Тогда же появились масляные часы с градуированным резервуаром, наполненным маслом. Сгорание масла способствовало понижению уровня жидкости, по которому определяли время. И все же точность оставляла желать лучшего.
Глава 2: Опыт: точность песочных часов
Насколько же точно могли измерять время люди прошлого? Попробуем узнать это путем эксперимента.
Цель эксперимента: Определить разность погрешностей древних часов, рассчитанных на измерение различных временных отрезков. Одним из древнейших видов часов являются песочные, поэтому мы и избрали их для нашего эксперимента.
Приборы и материалы: секундомер, песочные часы, рассчитанные на 1, 3, 5 и 15 минут.
Описание опыта: С помощью секундомера измеряем время, за которое просыпается весь песок в часах, рассчитанных на 1, 3, 5 и 15 минут. Проделываем такую операцию по несколько раз со всеми песочными часами. Вычисляем разность между самым большим и самым малым результатами для каждого прибора. По полученным данным составляем график и выявляем разницу в точности измерений песочными часами, предназначенными для измерения различных отрезков времени.
Результаты опыта:
(см. Приложение 9)
1 минута: Δ2.9
3 минуты: Δ6.3
5 минут: Δ13.8
15 минут: Δ16.2
Выводы: Чем меньше интервал времени, на эталонное измерение которого рассчитаны часы, тем выше их точность.
Помимо конструктивных факторов, таких как форма колбы или зернистость песка, длительность эталонного интервала также имеет значительное влияние на конечный результат. И неудивительно, ведь для часов, рассчитанных на измерение одного часа, погрешность в минуту не представляется очень существенной, а часы, предназначенные для измерения той самой одной минуты, с такой погрешностью теряют всякий смысл.
Скорее всего, такая разница в погрешностях связана с тем, что большая точность для песочных часов, рассчитанных на 20 минут, попросту недостижима в силу конструктивных особенностей. В то время как для часов, предназначенных на измерения меньшего интервала времени, подобрать точные соотношения гораздо проще.
Глава 3: Дальнейшее развитие
В 1656 году голландский физик Христиан Гюйгенс изобрел маятник, новый качающийся механизм, который сразу же зарекомендовал себя должным образом. Гири теперь двигались не по вертикали, а раскачивались вбок в соответствии с длиной волоскового баланса, таким образом, ход сбивался не более чем на 10-15 секунд (см. Приложение 10). Вскоре лучшие из маятников позволили обнаружить систематическое замедление суточного вращения Земли, вызванное океаническими приливами. А еще через двадцать лет Гюйгенс навсегда вписал свое имя в историю, усовершенствовав пружинный механизм. Ему в голову пришла гениальная мысль приладить в качестве регулятора к рычагу балансира маленькое маховое колесо, совершающее собственные колебания под действием спиральной пружины, которая, неустанно сжимаясь и распрямляясь, управляла механизмом.
Данное техническое новшество способствовало тому, что часы вскоре стали уменьшаться в размерах, превращаясь в предмет личного пользования, к которому люди очень быстро привыкли. Их прикрепляли к поясу либо носили в жилетном кармане. Так они получили свое название — карманные, став повальным увлечением среди обеспеченных слоев общества в XVIII веке (см. Приложение 11). Корпусы старались делать как можно роскошнее — так сложилось сотрудничество часовщиков и ювелиров.
Механизмы же карманных часов, изготовленные разными мастерами, соперничали между собой в оригинальности и сложности: они могли включать в себя еще и так называемый «вечный» календарь, различные варианты боя, турбийон (механизм, ликвидирующий сбой хода часов вследствие изменения их положения). Однако с течением времени карманные часы были вытеснены наручными, первенство изобретения которых по сей день оспаривают многие прославленные фирмы (см. Приложение 12).
Стоит отметить, что впервые наручные часы упоминаются в архивах Марии - Антуанетты в конце XVIII века. В те времена часики заказывали себе в основном дамы, носившие их на шелковых ленточках. Нашествие наручных часов началось после Первой мировой войны. И солдату, и командиру было куда проще бросить беглый взгляд на запястье, чем тратить время и выуживать карманные из одежды. Еще позднее часы получили герметичность и автоматический подзавод.
Чуть позже происходит еще одна революция в часовом деле, на сей раз связанная с изучением электричества. В 1930-х годах физики активно исследуют явление пьезоэлектрики, и в результате в 1966 году начинается производство электрических часов. Часы становятся экономичными.
Глава 4: Самые точные часы
Время быстротечно, однако человек всегда стремился остановить его. Или хотя бы измерить, причем как можно точнее. Ради этой ничтожной секунды, что теряется за миллионы лет, люди с незапамятных времен ведут увлеченный поиск. К середине XX века стало ясно, что точность лучших часов превзошла точность нашего природного эталона времени — суток. Возможности астрономических методов измерения времени оказались исчерпанными. Принципиально новые и более точные методы измерения времени пришли из радиоспектроскопии и квантовой электроники.
Атомные часы (см. Приложение 13) в качестве эталона измерения времени используются уже довольно давно. Эта система пришла на смену астрономической системе отсчета времени, которая была привязана к процессу вращения Земли вокруг собственной оси. В основу же действия нынешних приборов положена так называемая атомная секунда.
Каждый атом или молекула избирательно поглощает или излучает не только свет, но и радиоволны определённой длины волны λ, или частоты n, которые характеризуются непревзойдённым постоянством. Это позволило создать квантовые стандарты частоты, а, следовательно, и времени (вспомним, что частота — величина, обратная периоду, то есть времени одного колебания) и построить шкалу атомного времени, задаваемую конкретным атомным или молекулярным эталоном.
Шкала атомного времени практически равномерна. В ней единицей измерения служит атомная секунда — промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 (133Cs). Другими словами, за атомную секунду совершается число периодов колебаний цезиевого генератора, равное его частоте, составляющей 9 192 631 770 Гц (~ 9,2 Ггц). Стабильность этой частоты очень высока (то есть относительная нестабильность Δ n / n, где Δ n — уход частоты, очень мала). Кроме цезиевого генератора в качестве стандартов частоты используют также рубидиевый и водородный генераторы, последний из которых наиболее стабилен (см. Приложение 14).
В США официально запущены самые точные в мире атомные часы(на цезиевом генераторе). Теперь НИСТ-Ф2 (так называются эти часы – по наименованию Национального института стандартов и технологий, разработавшего прибор) будет задавать стандарт гражданского времени в США. Как заявляют физики, их погрешность составляет одну секунду за 300 миллионов лет. Это в три раза точнее предыдущей версии подобных часов, которые отставали или уходили вперед на одну секунду за срок в 100 миллионов лет. НИСТ-Ф1 служили стандартом гражданского времени в США с 1999 года, и останавливать их пока не планируется. Одновременная работа старых и новых часов поможет ученым внести улучшения в их системы.
Основное отличие нового прибора НИСТ-Ф2 от своих предшественников — в температуре рабочей среды. Новые атомные часы отсчитывают время при температуре минус 193 OC, первая же модель работала при температуре 27 O C. Более холодная среда значительно снижает фоновую радиацию и устраняет некоторые погрешности в измерениях.
Даже небольшое улучшение в работе такого прибора неизбежно дает импульс развитию новых технологий.
Глава 5: Эталон измерения
Человек живёт во времени, и уже в глубокой древности появилась необходимость измерять время — характеристику пространства. Измерить — значит сравнить измеряемую величину с другой величиной того же рода, называемой единицей измерения. Эта единица должна быть чётко определённой и неизменной величиной — эталоном. Созданием эталонов занимается наука, именуемая метрологией. За эталон времени принята секунда. Но вот как ее определить? Скажем, секунда — это промежуток времени, в течение которого... что? Этот вопрос отнюдь не прост. Посмотрим, как отвечает на него современная метрология.
Эталоны для измерения времени должны быть основаны на периодических процессах, период которых постоянен с большой точностью. Первоначально единственным известным процессом такого рода было вращение Земли вокруг своей оси, и единица времени — секунда — определялась как 1/86 400 часть периода этого вращения, то есть суток. Длительность же суток определялась из двух последовательных наблюдений прохождения какого-нибудь небесного светила через плоскость меридиана места наблюдения. Уже древние астрономы убедились в том, что длительность интервала между двумя прохождениями Солнца через плоскость меридиана не совпадает с длительностью интервала, определённого по наблюдениям любой из «неподвижных» звёзд: солнечные сутки оказались на 4 минуты больше звёздных. Это следствие движения Земли по орбите (вращение Земли вокруг оси и её орбитальное движение происходят в одном направлении).
Пользоваться звёздным временем неудобно, так как вся наша жизнь связана со сменой дня и ночи, с солнечными сутками. Но определить их продолжительность с большой точностью весьма сложно: во-первых, Солнце слишком «велико»; во-вторых, солнечное излучение нагревает и деформирует точные приборы и, наконец, длительность солнечных суток изменяется в течение года вследствие изменения скорости движения Земли по орбите. Поэтому непосредственное определение периода вращения Земли выполняется по наблюдению звёзд, а для практических целей учитывают разницу между звёздными и солнечными сутками. Так возникло своеобразное положение, при котором мы пользуемся солнечным временем, определяя его по звёздам.
Так как истинные солнечные сутки не остаются одинаковыми в течение года, то в повседневной жизни за основную единицу времени принимают средние солнечные сутки, рассчитанные в предположении равномерного движения Земли по орбите. Время в таких сутках называют средним временем. Понятно, что его значение меняется с изменением географической долготы места: когда в Москве 12 часов дня, то, скажем, в Красноярске уже 16 часов, то есть возникает понятие местного времени.
Местное среднее время на Гринвичском меридиане называют всемирным временем и обозначают UT (Universal Time). Это всемирное время положено в основу создания нескольких астрономических шкал времени. Прежде всего, заметим, что, хотя Universal Time — среднее солнечное время, то есть определено из условия равномерного движения Земли по орбите, на его основе трудно создать равномерную шкалу по той причине, что положение любого меридиана, и в частности Гринвичского, подвержено изменениям из-за вращения Земли. Происходит это потому, что Земля — не абсолютно твёрдое тело: массы в ней непрерывно перераспределяются, вследствие чего полюса Земли незначительно (до 10–15 м) меняют положение, вызывая смещение меридианов, их соединяющих.
Существует несколько модификаций шкал всемирного времени. Из наблюдений суточных движений звёзд получается всемирное время UT0, не образующее равномерной шкалы. Если учесть поправку за смещение мгновенного полюса относительно его среднего положения, получим более равномерную шкалу UT1, являющуюся основной версией всемирного времени. Если принять во внимание ещё и сезонные вариации угловой скорости вращения Земли, получим более равномерную шкалу UT2. Наконец, учёт действия приливных явлений даёт шкалу UT1R. Неравномерность суточного вращения и орбитального движения Земли не позволяет создать строго равномерные шкалы времени. Поэтому была введена ещё одна шкала — эфемеридное время.
Эфемерида в астрономии — таблица небесных координат Солнца, Луны, планет и других астрономических объектов, вычисленных через равные промежутки времени, например, на полночь каждых суток. Эфемеридное время, ET — равномерная шкала времени, основанная на определении секунды, введенном в 1952 году на 8 съезде Международного Астрономического Союза, которое не зависит от изменяющейся скорости вращения Земли. С 1984 года шкала эфемеридного времени заменена двумя шкалами динамического времени. Под ним понимают аргумент в дифференциальных уравнениях движения тел Солнечной системы в гравитационном поле. Это равномерно текущее время используют при определении координат спутников.
Глава 6: Понятие времени
Время - настолько всеобъемлющее понятие, что невольно задаешься вопросом: а может, его и вовсе нет как такового? Подобные мысли терзали ученых многие века, выдающиеся люди столетия спорили и так и не пришли к единому мнению. Одни веками находят доказательства существования времени, в то время как другие полностью опровергают его наличие.
Еще около 500 года до нашей эры философы спорили о реальности времени. Гераклит (см. Приложение 15) утверждал, что постоянство — это иллюзия и что всё находится в непрерывном движении. Парменид (см. Приложение 16), напротив, убеждал, что бытие неподвижно и неизменяемо, а значит, время — это иллюзия.
Гораздо позже, в 1687 году Исаак Ньютон (см. Приложение 17) опубликовал научный труд "Математические начала натуральной философии", в котором ввел представление об "абсолютном времени". Оно течет строго одинаково по всей Вселенной, независимо от любых воздействий.
Но в 1905 году, спустя два с лишним века Альберт Эйнштейн (см. Приложение 18) обнародовал свою теорию относительности. В ней время является относительным, а не абсолютным. Он предсказал, что время, измеренное по движущимся часам, будет казаться идущим медленнее, чем измеренное по неподвижным часам.
Однако в 1967 году американский теоретик Брайс Девитт (см. приложение 19), опираясь на идеи, предложенные его коллегой Джоном Уиллером (см. Приложение 20), соединил квантовую теорию с релятивистской теорией гравитации в уравнении, описывающей состояние Вселенной как целого. Это уравнение показывает, что время на самом деле является иллюзией. Среди всех входящих в него величин не оказалось одной ожидаемой: переменная t, обозначающая время, из него испарилась (см. Приложение 21). Согласно уравнению квантовое состояние Вселенной попросту заморожено. Вселенная абсолютно без изменений, она просто есть. Ощущается разительный контраст с видимой нами реальностью.
И уже в 1999 британским физиком и философом по имени Джулиан Барбур выпускается книга "Конец времени", в которой он попытался перебросить мост через пропасть между реальностью безвременной Вселенной, выраженной в уравнении Уилера — Девитта, и нашим восприятием времени как текущего от прошлого к будущему. Он утверждает, что следствия уравнения Уилера — Девитта, касающиеся времени, нельзя игнорировать. Барбур настаивает, что Вселенная — действительно огромный статический массив "сейчас", подобный кадрам некоего космического видеоролика. В любой конкретный момент, или "сейчас", для объяснения устройства Вселенной не требуется использовать время. Чувство течения времени возникает из-за того, что наше сознание обрабатывает каждый из этих кадров, или временных капсул, как называет их Барбур. Самого времени, тем не менее, не существует.
Профессор Ли Смолин впечатлен этими рассуждениями: "Это максимально продуманный подход к осмыслению квантовой космологии". Он даже включает некоторые идеи Джулиана Барбура в собственные рассуждения, но убежден, что они страдают теми же недостатками, что и все "безвременные" теории Вселенной: из них трудно получить проверяемые предсказания, и они не позволяют объяснить, откуда взялись безвременные законы физики. В своей книге профессор Смолин утверждает, что время является реальностью и течет от прошлого к будущему, причем это позволяет законам природы эволюционировать до наблюдаемого нами сегодня состояния.
Согласно теории Ли Смолина, время — самое фундаментальное свойство реальности. Он считает, что отрицание реальности времени возникло за счет смешения укоренившихся предубеждений с заумной математикой. В своей книге «Возрожденное время» (Time Reborn) он указывает на опасность этого заблуждения. И если он прав, то время вовсе не лишнее, а наоборот, критически важное понятие для объяснения устройства Вселенной.
Выводы по главе: С общепринятой точки зрения всё, что происходит во Вселенной, предопределено физическими законами, а время – лишь прием, позволяющий уравнениям выдавать верные ответы. Физики, использующие эту концепцию времени, искали понимание свойств всего на свете и раз за разом эти попытки натыкались на проблемы.
Например, более 300-от лет назад Исаак Ньютон попытался применить свой закон всемирного тяготения ко всей Вселенной и увидел, что она катастрофически быстро сжимается под действием гравитационных сил, если имеет бесконечную протяженность в пространстве. Но это неверно.
Столетие назад Альберт Эйнштейн применил к космосу свою куда более точную теорию гравитации – общую теорию относительности, но и она оказалась бессильной, когда дело дошло до Большого взрыва.
Да и контраст уравнения Уилера – Девитта, являющего мир в замороженном состоянии, с видимой реальностью не может не вызывать сомнений, ведь астрономы утверждают, что Вселенная началась с Большого взрыва и продолжает расширяться. Звезды постоянно рождаются и умирают, как и мы сами. Очевидно, что что-то здесь пошло не так.
Очень многие теоретики пытались искать способы получить то, что мы воспринимаем как время, из «безвременной» Вселенной, которая описывается в уравнении Уилера – Девитта. Профессор Ли Смолин убежден, что только фундаментальное переосмысление природы времени поможет выйти из создавшегося кризиса. Однако стоит заметить, что не все с этим согласны. Некоторые настаивают, что истину нам открывает именно «безвременное» уравнение. Но Смолин считает, что само наше существование служит свидетельством космической эволюции. А поскольку эволюция возможна только во времени, это говорит о его реальности.
Мы считаем, что точка зрения профессора Ли Смолина ближе к истине, так как его теория очень удачно объясняет наличие сочетаний физических условий для нашего существования.
Глава 7: Временные парадоксы
Существует множество так называемых временных парадоксов. В нашем проекте мы решили познакомить читателей с некоторыми из них.
Парадокс необратимости
В физике «стрела времени» выражена вторым началом термодинамики. Оно говорит, что любая замкнутая система тяготеет к термодинамическому равновесию и это сопровождается необратимым ростом величины, называемой энтропией. Проблема, однако, в том, что термодинамика вместе с ее вторым началом не фундаментальная физическая теория, а статическое следствие законов поведения частиц. А они, оказывается, совершенно безразличны к направлению времени. Если его поменять, то уравнения спокойно покажут, как кусочки разбитой чашки соединяются между собой, разбавленный сок разделяется на воду и концентрат.
На уровне законов классической и квантовой механики время полностью обратимо, у него нет выделенного направления. Выходит, что «стрела времени» — всего лишь следствие статистических свойств больших систем частиц, дрейфующих от менее вероятных состояний к более вероятным примерно с той неизбежностью, с которой игрок проигрывает в казино.
Парадокс причинности
«После» не значит «вследствие», но вот «вследствие» всегда значит «после». Всеобщий закон причинности — это ли не безупречная стрела времени?! Как бы не так! Чисто логически причиной может быть не только прошлое положение дел, но и некая цель в будущем. Такая логика применяется при описании поведения животных, при анализе исторических и политических событий, в религиозной философии.
Везде, где участвует разум, логика причин может заменяться логикой целей, следствия которых находятся в прошлом. Осколки чашки разлетаются по причине падения и удара. Но на запущенном в обратную сторону ролике они летят назад с целью соединиться в чашку. Придется, конечно, допустить их разумность. Так мы допускаем ее и для человека, глядя на его целенаправленное поведение.
Логика причин и логика целей взаимно дополняют друг друга. Выбор между ними определяется соображениями их удобства для анализа проблем. Но тогда получается, что и направление стрелы времени — лишь вопрос удобства. Парадокс?
Парадокс реальности
Время состоит из прошлого и будущего, разделенных настоящим. Но прошлого уже нет, будущего еще нет, а настоящее — лишь одна точка без длительности, в которой не может звучать «музыка жизни».
Вспоминается апория Зенона о стреле: как она летит, если в каждый момент стоит? Ньютон разрешил парадокс математически, придумав исчисление бесконечно малых. Но философский вопрос о реальности предметов в потоке времени остался.
Реально ли прошлое или только его след в настоящем? Существуют ли наши предки где-то в пусть и недосягаемом, но реальном прошлом или прошлое — лишь наши воспоминания здесь и сейчас? Еще хуже с будущим. Если оно реально и детерминировано законами физики, то наша свобода воли оказывается беспочвенной иллюзией.
Многие физики отвечают, что если исход эксперимента предсказуем, то не надо философствовать. Однако не всех это устраивает. Построены десятки интерпретаций квантовой механики — от вероятностных до многомировых, но природа реальности во времени так и остается загадкой.
Идея «правдоподобного настоящего» пытается дать ответ на вопрос, как долго это настоящее длится. Обычный ответ, связанный с этим, звучит как «сейчас», но он не слишком информативен. Допустим, когда в процессе разговора мы доходим до середины предложения, значит ли это, что мы уже закончили начало предложения, и оно осталось в прошлом? А сам разговор — он находится в настоящем времени? Или же в настоящем только часть разговора, а часть его — уже в прошлом?
Э. Р. Клей и Уильям Джеймс высказали идею «правдоподобного настоящего» — это промежуток времени, который мы ощущаем как настоящее. По мнению Клея и Джеймса, этот момент длится всего несколько секунд и не может длиться дольше минуты, и это — то количество времени, о котором мы сознательно осведомлены.
Но даже в этих рамках есть над чем поспорить. Теоретически, всё перечисленное выше может быть связано с краткосрочной памятью человека — чем эта память лучше, тем дольше настоящее. Ещё есть мнение, что всё это лишь вопрос мгновенного восприятия. А как только вы полагаетесь на свою краткосрочную память — такой момент уже не может быть частью настоящего. То есть возникает проблема «правдоподобного настоящего», и чего-то наподобие «расширенного настоящего», которое возникает сразу после того, как «правдоподобное настоящее» исчезло.
Фактически, у настоящего вообще не должно быть продолжительности, потому что если она есть — часть настоящего сразу оказывается в прошлом, а часть в будущем, и возникает противоречие. А «правдоподобное настоящее» пытается объяснить настоящее как некий продолжительный интервал времени, и это весьма спорно.
Парадокс непрерывности
В современной метрологии измерение всех физических величин сводится в итоге к измерению времени. А его измеряют подсчетом регулярных событий, например качаний маятника. Маятник поверяют кварцевыми часами, считающими вибрацию кристалла, частоту которых измеряют атомными часами, где считают колебания световой волны определенного атома. Тут, кстати, всплывает проблема относительности времени. Наблюдатели по-разному воспринимают время, если в разном темпе считают одни и те же события, что бы ни было тому причиной: движение, уплотняющее набегающие световые волны, или голод, от которого нейроны чаще шлют сигналы мозгу.
Поскольку время сводится к натуральному счету, резонно спросить: нет ли фундаментального неделимого кванта времени? Вообще-то бесконечно дробить отрезки времени, повышая частоту сигналов, нельзя: на это нужно все больше энергии, и, в конце концов в планковском масштабе, часы превратятся в черную дыру.
Поэтому физики с интересом обсуждают модели мира с дискретным временем. Вот только парадокс Зенона в них придется решать заново, обходясь без бесконечно малых интервалов.
Невысокие люди воспринимают «сейчас» раньше высоких
Это звучит странно, но в этом есть смысл. Эту теорию выдвинул нейробиолог Дэвид Иглмен, и назвал он её «привязкой по времени».
Всё это основано на идее о том, что мы воспринимаем мир, получая некие информационные пакеты, которые собираются нашими органами чувств, а затем обрабатываются мозгом. Информация от различных частей тела добирается до мозга за разное время.
Допустим, вы идёте, на ходу пишете кому-то SMS, и внезапно ударяетесь головой о телеграфный столб. В то же самое время вы травмируете об этот же столб ещё и большой палец на ноге. Теоретически, информация о травме головы должна поступить в ваш мозг быстрее, чем информация о травме большого пальца ноги. Однако вы будете думать, что всё это вы почувствовали одновременно.
А всё потому, что мозг — это своего рода сенсорная структура с чёткой организацией. И эта структура выстраивает для нас вещи в порядке возрастания их смысла.
Указанная выше задержка в обработке информации играет на руку невысоким людям. Потому что невысокий человек ощущает более точную версию времени, поскольку в его случае информации требуется меньше времени, чтобы попасть в мозг.
Время замедляется, и мы можем это видеть
Одна из давних проблем физики связана с существованием тёмной энергии. Мы можем видеть эффекты от этой энергии, но понятия не имеем, что она такое.
Команда профессоров из Испании считает, что все усилия по поиску тёмной энергии оказались напрасны просто потому, что её не существует. Они полагают, что все эффекты тёмной энергии можно объяснить альтернативной идеей, что на самом деле мы видим замедление времени перед его возможной остановкой.
Возьмём астрономическое явление, известное как «красное смещение». Когда мы видим звёзды, светящиеся красным светом, мы знаем, что они ускоряются. Группа испанских профессоров объясняет феномен ускорения Вселенной не как результат присутствия в ней тёмной энергии, а как иллюзию, созданную замедлением времени. У света времени достаточно для того, чтобы дойти до нас. И когда это наконец происходит, время замедляется, создавая иллюзию того, что всё вокруг ускоряется.
Время останавливается чрезвычайно, невообразимо медленно, но если учесть обширность космического пространства и его умопомрачительные расстояния, то получится, что мы можем видеть, как замедляется время, просто глядя на звёзды.
Выводы
Время как самое фундаментальное свойство реальности всюду с нами.
Мы узнали, что время - одна из форм существования бесконечно развивающейся материи - последовательная смена ее явлений и состояний, узнали о способах его измерения и приборах, таких как теневые, солнечные, песочные, механические и даже атомные часы, позволяющих его измерить. Также познакомились с некоторыми теориями, временными парадоксами и провели опыт по измерению зависимости точности песочных часов от времени, на которое они рассчитаны.
Ежедневно приходит около 8 миллиардов автоматических интернет - запросов на синхронизацию времени от компьютеров и других сетевых устройств. Каждый день точное время передается по радиоканалам еще 50 миллионам счетчиков времени. Многие привычные сегодня технологии (мобильные телефоны, приемники сигнала GPS и даже система электроснабжения) ориентируются именно на атомные часы. Сверхточное измерение времени необходимо как для технических задач, так и для фундаментальных исследований, раскрывающих законы существования Вселенной и проверяющих предположения ученых.
Существует множество определений времени, каждое из которых по-своему верно. Мы считаем, что самым правильным определением времени является это:
· Время - одна из форм (наряду с пространством) существования бесконечно развивающейся материи - последовательная смена ее явлений и состояний.
Однако есть множество иных определений:
· Время - промежуток той или иной длительности, в который совершается что-нибудь, последовательная смена часов, дней, лет.
· Время - продолжительность, длительность чего-нибудь, измеряемая секундами, минутами, часами.
· Время - определенный момент, в который происходит что-нибудь.
Значимость исследования: Благодаря проекту мы узнали много нового, неожиданного и очень интересного. Оказалось, что тема времени, волновавшая людей с самых древних времен, актуальна до сих пор, не только как философское понятие, но и как важная составляющая мира.
Время — физическая величина, имеющая планетарное значение.
Источники:
1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D5%F0%EE%ED%EE%EB%EE%E3%E8%FF
http://nnm.me/blogs/atck/chto-takoe-vremya/#cut
4. http://www.vesti.ru/doc.html?id=1443240&cid=2161
5. http://elementy.ru/lib/430959
6. http://www.factroom.ru/science/explaining-time
7. Роберт Мэтьюс «Уравнение, убившее время», журнал «Наука в фокусе» #10[022] (2013 год), автор статьи про время.
8. Фредерика Раманда, «100 легендарных часов»/пер. с фр И. Бочкова. – М.: ООО «Издательство АСТ»: ООО «Издательство Астрель», 2003.-144 с.: ил.
9. "Физический энциклопедический словарь",
1983 года.
Приложения:
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6
Приложение 7
Приложение 8
Приложение 9
Приложение 10
Приложение 11
Приложение 12
Приложение 13
Приложение 14
Приложение 15
Приложение 16
Приложение 17
Приложение 18
Приложение 19
Приложение 20
Приложение 21
 |
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
6 664 711 материалов в базе
«Физика», Перышкин А.В., Гутник Е.М.
Больше материалов по этому УМК
Настоящий материал опубликован пользователем Белая Елена Ильинична. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс профессиональной переподготовки
300/600 ч.
Курс профессиональной переподготовки
300 ч. — 1200 ч.
Курс повышения квалификации
36 ч. — 180 ч.
Мини-курс
6 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.