Tid i fysik - Time in physics

Tid
Aktuel tid ( opdatering )
20:48, 18. oktober 2021 ( UTC )
Store begreber Forbi Til stede Fremtid Evighed argumenter for
Studieområde Arkæologi Kronologi Historie Horologi Palæontologi Futurologi
Filosofi Presentisme Eternalisme Begivenhed Fatalisme
Religion Mytologi Skabelse Sluttid Dommens dag Udødelighed Efterlivet Reinkarnation Kalachakra
Måling Standarder Metrisk Hexadecimal
Videnskab Naturalisme Kronobiologi Kosmogoni Udvikling Radiometrisk dating Universets ultimative skæbne Tid i fysik
relaterede emner Bevægelse Plads Rumtid Tidsrejser
v t e

Foucault 's pendul i Panthéon af Paris kan måle tid samt demonstrere rotation af Jorden .

Tid i fysik er defineret af dens måling : tid er, hvad et ur læser. I klassisk, ikke-relativistisk fysik er det en skalær størrelse (ofte betegnet med symbolet ), og ligesom længde , masse og ladning beskrives det normalt som en grundlæggende størrelse . Tid kan matematisk kombineres med andre fysiske størrelser for at udlede andre begreber som bevægelse , kinetisk energi og tidsafhængige felter . Tidtagning er et kompleks af teknologiske og videnskabelige spørgsmål og en del af fundamentet for journalføring . ${\ displaystyle t}$

Tidens markører

Inden der var ure, blev tiden målt ved de fysiske processer, der var forståelige for hver civilisationstid:

• den første optræden (se: heliacal stigning ) af Sirius for at markere oversvømmelsen af ​​Nilen hvert år
• den periodiske rækkefølge af nat og dag , tilsyneladende evigt
• positionen i horisonten af ​​solens første udseende ved daggry
• solens position på himlen
• markeringen af middagstidspunktet i løbet af dagen
• længden af ​​skyggen kastet af en gnomon

Til sidst blev det muligt at karakterisere tidens gang med instrumentering ved hjælp af operationelle definitioner . Samtidig har vores opfattelse af tid udviklet sig, som vist nedenfor.

Tidsenheden: den anden

I International System of Units (SI) er tidsenheden den anden (symbol :). Det er en SI basisenhed , og er blevet defineret siden 1967 som "varigheden af 9192631770 [cykler] i stråling svarende til overgangen mellem de to hyperfinstruktur niveauer af grundtilstanden af cæsium 133 atom". Denne definition er baseret på driften af ​​et cæsium atomur . Disse ure blev praktiske til brug som primære referencestandarder efter omkring 1955 og har været i brug siden. ${\ displaystyle \ mathrm {s}}$

Den nyeste teknik inden for tidtagning

Den UTC tidsstempel i brug verden over er en atomar tid standard. Den relative nøjagtighed af en sådan tidsstandard er i øjeblikket i størrelsesordenen 10 ⁻¹⁵ (svarende til 1 sekund om cirka 30 millioner år). Det mindste tidstrin, der anses for teoretisk observerbart, kaldes Planck -tiden , som er cirka 5.391 × 10 ⁻⁴⁴ sekunder - mange størrelsesordener under opløsningen af ​​de aktuelle tidsstandarder.

Den cæsium atomur blev praktisk efter 1950, når fremskridt i elektronik aktiveret pålidelig måling af mikrobølgefrekvenser det genererer. Efterhånden som der skete flere fremskridt, er atomurforskningen gået til stadigt højere frekvenser, hvilket kan give højere nøjagtighed og højere præcision. Ure baseret på disse teknikker er blevet udviklet, men er endnu ikke i brug som primære referencestandarder.

Opfattelser af tid

Andromeda-galaksen ( M31 ) er to millioner lysår væk. Således ser vi M31's lys fra to millioner år siden, en tid før mennesker eksisterede på Jorden.

Galileo , Newton og de fleste mennesker indtil det 20. århundrede troede, at tiden var den samme for alle overalt. Dette er grundlaget for tidslinjer , hvor tiden er en parameter . Den moderne forståelse af tiden er baseret på Einstein 's relativitetsteori , hvor satserne for tiden kører forskelligt afhængigt af relativ bevægelse, og rum og tid er fusioneret ind i rumtiden , hvor vi bor på en verden linje snarere end en tidslinje. I denne opfattelse er tiden en koordinat . Ifølge den herskende kosmologiske model for Big Bang -teorien begyndte selve tiden som en del af hele universet for omkring 13,8 milliarder år siden.

Regelmæssigheder i naturen

For at måle tid kan man registrere antallet af forekomster (begivenheder) af et eller andet periodisk fænomen . De regelmæssige gentagelser af de årstider , de bevægelser i sol , måne og stjerner blev noteret og tabelform i årtusinder, før fysikkens love blev formuleret. Solen var dommer for tidens strøm, men tiden var kun kendt i timen i årtusinder , derfor var gnomons brug kendt over det meste af verden, især Eurasien , og mindst lige så langt sydpå som junglerne i Sydøstasien .

Især blev de astronomiske observatorier, der blev vedligeholdt til religiøse formål, præcise nok til at fastslå stjernernes og endda nogle af planternes regelmæssige bevægelser.

Først blev tidtagning foretaget i hånden af ​​præster, og derefter for handel, med vagter til at notere tid som en del af deres pligter. Tabelleringen af jævndøgn , sandglas og vandur blev mere og mere præcis og til sidst pålidelig. For skibe til søs blev drenge brugt til at dreje sandbrillerne og ringe til timerne.

Mekaniske ure

Richard af Wallingford (1292–1336), abbed i St. Albans kloster, byggede berømt et mekanisk ur som et astronomisk orrery omkring 1330.

På tidspunktet for Richard af Wallingford tillod brugen af skralder og tandhjul Europas byer at oprette mekanismer til at vise tiden på deres respektive byure; på tidspunktet for den videnskabelige revolution blev urene miniaturiseret nok til, at familier kunne dele et personligt ur eller måske et lommeur. Først havde kun konger råd til dem. Pendulure blev meget udbredt i det 18. og 19. århundrede. De er stort set blevet erstattet ved almindelig brug af kvarts og digitale ure . Atomure kan teoretisk holde nøjagtig tid i millioner af år. De er egnede til standarder og videnskabelig brug.

Galileo: tidens strøm

I 1583 opdagede Galileo Galilei (1564–1642), at et pendels harmoniske bevægelse har en konstant periode, som han lærte ved at timere bevægelsen af ​​en svajende lampe i harmonisk bevægelse ved masse ved domkirken i Pisa , med sin puls .

I sine to nye videnskaber (1638) brugte Galileo et vandur til at måle den tid, det tog for en bronzebold at rulle en kendt afstand ned ad et skråt plan ; dette ur var

"en stor beholder med vand placeret i en forhøjet position; til bunden af ​​denne beholder blev loddet et rør med lille diameter, hvilket gav en tynd vandstråle, som vi samlede i et lille glas i løbet af hver nedstigning, hvad enten det var for hele længden af ​​kanalen eller for en del af dens længde; det således opsamlede vand blev vejet efter hver nedstigning på en meget nøjagtig balance; forskellene og forholdene mellem disse vægte gav os tidens forskelle og forhold, og dette med sådan nøjagtighed, at selvom operationen blev gentaget mange, mange gange, var der ingen mærkbar uoverensstemmelse i resultaterne. "

Galileos eksperimentelle setup for at måle den bogstavelige strøm af tid , for at beskrive bevægelsen af ​​en bold, gik forud for Isaac Newtons erklæring i sin Principia :

Jeg definerer ikke tid , rum , sted og bevægelse som velkendt for alle.

De galileiske transformationer antager, at tiden er den samme for alle referencerammer .

Newtons fysik: lineær tid

I eller omkring 1665, da Isaac Newton (1643–1727) afled bevægelsen af ​​objekter, der faldt under tyngdekraften, begyndte den første klare formulering for matematisk fysik af en behandling af tid: lineær tid, opfattet som et universelt ur .

Den absolutte, sande og matematiske tid i sig selv og fra sin egen natur flyder ligeligt uden hensyn til noget eksternt, og ved et andet navn kaldes varighed: relativ, tilsyneladende og almindelig tid er en fornuftig og ekstern (uanset om den er præcis eller ulige) ) måling af varighed ved hjælp af bevægelse, som sædvanligvis bruges i stedet for sand tid; såsom en time, en dag, en måned, et år.

Den vand ur mekanisme beskrevet af Galileo blev manipuleret til at tilvejebringe laminar strømning af vandet under forsøgene, hvorved der tilvejebringes en konstant strøm af vand, så længe de eksperimenterne og Europa hvad Newton kaldte varighed .

I dette afsnit behandler de forhold, der er angivet nedenfor, tid som en parameter, der tjener som et indeks for adfærden i det fysiske system, der overvejes. Fordi Newtons flydende behandler en lineær tidsstrøm (det han kaldte matematisk tid ), kunne tiden betragtes som en lineært varierende parameter, en abstraktion af timernes march på et ur. Kalendere og skibsstammer kunne derefter kortlægges til marcherne af timer, dage, måneder, år og århundreder.

Termodynamik og paradokset om irreversibilitet

I 1798 havde Benjamin Thompson (1753-1814) opdaget, at arbejde kunne omdannes til varme uden grænser - en forløber for bevarelse af energi eller

• 1. lov for termodynamik

I 1824 analyserede Sadi Carnot (1796-1832) videnskabeligt dampmaskinen med sin Carnot -cyklus , en abstrakt motor. Rudolf Clausius (1822–1888) bemærkede et mål for lidelse eller entropi , som påvirker den konstant faldende mængde fri energi, der er tilgængelig for en Carnot -motor i:

• 2. lov for termodynamik

Således definerer den kontinuerlige march i et termodynamisk system, fra mindre til større entropi, ved enhver given temperatur, en tidspil . Især Stephen Hawking identificerer tre pile i tiden:

• Tidens psykologiske pil - vores opfattelse af et ubønhørligt flow.
• Tidens termodynamiske pil - kendetegnet ved væksten i entropi .
• Tidens kosmologiske pil - kendetegnet ved universets ekspansion.

Med tiden stiger entropien i et isoleret termodynamisk system. I modsætning hertil påpegede Erwin Schrödinger (1887–1961), at livet afhænger af en "negativ entropi -strøm" . Ilya Prigogine (1917–2003) udtalte, at andre termodynamiske systemer, der ligesom livet også er langt fra ligevægt, også kan udvise stabile rumlig-tidsmæssige strukturer, der minder liv. Kort tid efter blev der rapporteret om Belousov -Zhabotinsky -reaktionerne , som viser oscillerende farver i en kemisk opløsning. Disse ikke -balance -termodynamiske grene når et bifurcationspunkt , som er ustabilt, og en anden termodynamisk gren bliver stabil i stedet.

Elektromagnetisme og lysets hastighed

I 1864 præsenterede James Clerk Maxwell (1831–1879) en kombineret teori om elektricitet og magnetisme . Han kombinerede alle de love, der dengang kendte vedrørende disse to fænomener, til fire ligninger. Disse vektorberegningsligninger, der bruger del operatoren ( ) er kendt som Maxwells ligninger for elektromagnetisme . ${\ displaystyle \ nabla}$

I det frie rum (det vil sige rum, der ikke indeholder elektriske ladninger ), har ligningerne form (ved hjælp af SI -enheder ):

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

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

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

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

hvor

ε ₀ og μ ₀ er den elektriske permittivitet og magnetiske permeabilitet af ledigt rum ;

c = er lysets hastighed i det frie rum, 299 792 458 m / s ;${\ displaystyle 1/{\ sqrt {\ epsilon _ {0} \ mu _ {0}}}}$

E er det elektriske felt;

B er magnetfeltet.

Disse ligninger giver mulighed for løsninger i form af elektromagnetiske bølger. Bølgen dannes af et elektrisk felt og et magnetfelt, der oscillerer sammen, vinkelret på hinanden og på forplantningsretningen. Disse bølger formerer sig altid med lysets hastighed c , uanset hastigheden af ​​den elektriske ladning, der genererede dem.

Det faktum, at lyset forudsiges altid at bevæge sig med hastighed c, ville være uforeneligt med den galileiske relativitet, hvis det antages, at Maxwells ligninger holder i enhver inertial ramme (referenceramme med konstant hastighed), fordi de galileiske transformationer forudsiger hastigheden til at falde (eller stige) i referencerammen for en observatør, der rejser parallelt (eller antiparallelt) til lyset.

Det forventedes, at der var en absolut referenceramme, den af ​​den lysende æter , hvor Maxwells ligninger holdt uændret i den kendte form.

Den Michelson-Morley eksperimentet ikke har kunnet påvise nogen forskel i den relative hastighed af lys på grund af bevægelse af jorden i forhold til den luminiferous aether, hvilket tyder på, at Maxwells ligninger gjorde faktisk fat i alle rammer. I 1875 opdagede Hendrik Lorentz (1853–1928) Lorentz -transformationer , hvilket efterlod Maxwells ligninger uændret, hvilket gjorde det muligt at forklare Michelson og Morleys negative resultat. Henri Poincaré (1854–1912) bemærkede vigtigheden af ​​Lorentz transformation og populariserede den. Især kan jernbanevognsbeskrivelsen findes i Science and Hypothesis , som blev offentliggjort før Einsteins artikler fra 1905.

Lorentz -transformationen forudsagde rumkontraktion og tidsudvidelse ; indtil 1905 blev førstnævnte fortolket som en fysisk sammentrækning af objekter, der bevæger sig i forhold til æteren, på grund af modifikationen af ​​de intermolekylære kræfter (af elektrisk karakter), mens sidstnævnte menes at være blot en matematisk bestemmelse.

Einsteins fysik: rumtid

Albert Einsteins særlige relativitetsteori fra 1905 udfordrede forestillingen om absolut tid og kunne kun formulere en definition af synkronisering for ure, der markerer en lineær tidsstrøm:

Hvis der i et punkt A i rummet er et ur, kan en observatør ved A bestemme tidsværdierne for begivenheder i umiddelbar nærhed af A ved at finde positionerne på de hænder, der er samtidige med disse begivenheder. Hvis der i punktet B i rummet er et andet ur i alle henseender, der ligner det i A, er det muligt for en observatør ved B at bestemme tidsværdierne for begivenheder i det umiddelbare nærområde B.

Men det er ikke muligt uden yderligere antagelse at sammenligne, hvad angår tid, en begivenhed ved A med en begivenhed ved B. Vi har indtil nu kun defineret en "A -tid" og en "B -tid".

Vi har ikke defineret en fælles "tid" for A og B, for sidstnævnte kan slet ikke defineres, medmindre vi per definition fastslår, at den "tid", som lyset kræver for at rejse fra A til B, er lig med den "tid", det kræver at rejse fra B til A. Lad en lysstråle starte ved "A -tiden" t _A fra A mod B, lad den på "B -tid" t _B reflekteres ved B i retning af A, og ankommer igen til A kl. ”A time” t ' _A .

I overensstemmelse med definitionen synkroniserer de to ure if

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

Vi antager, at denne definition af synkronisme er fri for modsætninger og mulig for et vilkårligt antal punkter; og at følgende relationer er universelt gyldige: -

1. Hvis uret ved B synkroniserer med uret ved A, synkroniseres uret med A med uret ved B.
2. Hvis uret ved A synkroniserer med uret ved B og også med uret ved C, synkroniseres urene ved B og C også med hinanden.

-  Albert Einstein, "Om elektrodynamik i bevægelige organer"

Einstein viste, at hvis lysets hastighed ikke ændrer sig mellem referencerammer, skal rum og tid være således, at den bevægelige observatør måler den samme lyshastighed som den stationære, fordi hastigheden er defineret af rum og tid:

${\ displaystyle \ mathbf {v} = {d \ mathbf {r} \ over dt} {\ text {,}}}$hvor r er position og t er tid.

Faktisk Lorentz -transformationen (for to referencerammer i relativ bevægelse, hvis x -akse er rettet i retning af den relative hastighed)

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

kan siges at "blande" rum og tid på en måde, der ligner den måde, en euklidisk rotation omkring z -aksen blander x- og y -koordinater. Konsekvenser af dette inkluderer relativitetens relativitet .

Begivenhed B er samtidig med A i den grønne referenceramme, men den forekom før i den blå ramme og vil forekomme senere i den røde ramme.

Mere specifikt er Lorentz-transformationen en hyperbolsk rotation, som er en ændring af koordinater i det fire-dimensionelle Minkowski-rum , hvis dimension er ct . (I det euklidiske rum er en almindelig rotation den tilsvarende ændring af koordinater.) Lysets hastighed c kan ses som bare en omregningsfaktor, der er nødvendig, fordi vi måler rumtiden i forskellige enheder; da måleren i øjeblikket er defineret i form af den anden, har den den nøjagtige værdi på 299 792 458 m/s . Vi ville have brug for en lignende faktor i det euklidiske rum, hvis vi for eksempel målte bredde i sømil og dybde i fod. I fysik bruges undertiden måleenheder, hvor c = 1 bruges til at forenkle ligninger. ${\ 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 = \ operatorname {artanh} \, {\ frac {v} {c}} { \tekst{,}}}$${\ displaystyle {\ begin {pmatrix} x '\\ y' \ end {pmatrix}} = {\ begin {pmatrix} \ cos \ theta &-\ sin \ theta \\\ sin \ theta & \ cos \ theta \ slut {pmatrix}} {\ begin {pmatrix} x \\ y \ end {pmatrix}}}$

Tid i en "bevægelig" referenceramme viser sig at køre langsommere end i en "stationær" én ved følgende relation (som kan udledes af Lorentz -transformationen ved at sætte ∆ x ′ = 0, ∆ τ = ∆ t ′):

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

hvor:

• ∆ τ er tiden mellem to hændelser målt i referencerammen i bevægelse, hvor de forekommer samme sted (f.eks. To kryds på et ur i bevægelse); det kaldes den rette tid mellem de to begivenheder;
• ∆ t er tiden mellem de samme to hændelser, men målt i den stationære referenceramme;
• v er hastigheden af ​​den bevægelige referenceramme i forhold til den stationære;
• c er lysets hastighed .

Bevægelige objekter siges derfor at vise en langsommere tid . Dette er kendt som tidsudvidelse .

Disse transformationer er kun gyldige for to rammer ved konstant relativ hastighed. Naivt at anvende dem i andre situationer giver anledning til sådanne paradokser som tvillingeparadokset .

Dette paradoks kan løses ved hjælp af f.eks. Einsteins generelle relativitetsteori , der bruger Riemannian geometri , geometri i accelererede, ikke -inertielle referencerammer. Anvendelse af den metriske tensor, der beskriver Minkowski -rummet :

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

Einstein udviklede en geometrisk løsning på Lorentz's transformation, der bevarer Maxwells ligninger . Hans feltligninger giver et nøjagtigt forhold mellem målingerne af rum og tid i et givet rum i rumtiden og energitætheden i dette område.

Einsteins ligninger forudsiger, at tiden bør ændres ved tilstedeværelsen af gravitationsfelter (se Schwarzschild -metriket ):

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

Hvor:

${\ displaystyle T}$er tyngdekraftens udvidelse af et objekt i en afstand af .${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle dt}$ er ændringen i koordinattiden eller intervallet mellem koordinattiden.

${\ displaystyle G}$er gravitationskonstanten

${\ displaystyle M}$er massen, der genererer feltet

${\ displaystyle {\ sqrt {\ venstre (1-{\ frac {2GM} {rc^{2}}} \ højre) dt^{2}-{\ frac {1} {c^{2}}} \ venstre (1-{\ frac {2GM} {rc^{2}}} \ højre)^{-1} dr^{2}-{\ frac {r^{2}} {c^{2}}} d \ theta ^{2}-{\ frac {r ^{2}} {c ^{2}}} \ sin ^{2} \ theta \; d \ phi ^{2}}}}$er ændringen i korrekt tid eller intervallet mellem korrekt tid .${\ displaystyle d \ tau}$

Eller man kan bruge følgende enklere tilnærmelse:

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

Det vil sige, jo stærkere tyngdefeltet (og dermed jo større accelerationen ) er, jo langsommere løber tiden. Forudsigelserne om tidsudvidelse bekræftes af partikelaccelerationsforsøg og kosmisk strålebevis , hvor bevægelige partikler henfalder langsommere end deres mindre energiske modparter. Gravidationstidsudvidelse giver anledning til fænomenet gravitationsrødforskydning og Shapiro signaliserer rejsetidsforsinkelser nær massive genstande som f.eks. Solen. Den globale positioneringssystem skal også justere signaler til grund for denne effekt.

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori sporer en frit bevægelig partikel en historie i rumtiden, der maksimerer dens rette tid. Dette fænomen omtales også som princippet om maksimal aldring og blev beskrevet af Taylor og Wheeler som:

"Princippet for ekstrem aldring: Den vej, et frit objekt tager mellem to begivenheder i rumtiden, er den vej, for hvilken tidsforløbet mellem disse begivenheder, der er registreret på objektets armbåndsur, er et ekstremum."

Einsteins teori var motiveret af antagelsen om, at hvert punkt i universet kan behandles som et 'centrum', og at fysikken tilsvarende skal fungere ens i alle referencerammer. Hans enkle og elegante teori viser, at tiden er i forhold til en inertial ramme . I en inertial ramme holder Newtons første lov ; den har sin egen lokale geometri, og derfor sine egne målinger af rum og tid; der er ikke noget 'universelt ur' . En synkroniseringshandling skal mindst udføres mellem to systemer.

Tid i kvantemekanik

Der er en tidsparameter i kvantemekanikkens ligninger . Den Schrödingerligningen er

${\ displaystyle H (t) \ venstre | \ psi (t) \ højre \ rangle = i \ hbar {\ delvis \ over \ delvis t} \ venstre | \ psi (t) \ højre \ rangle}$

En løsning kan være

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

hvor kaldes tidsudviklingsoperatoren , og H er Hamiltonian . ${\ displaystyle e^{-iHt/\ hbar}}$

Men Schrödinger -billedet vist ovenfor svarer til Heisenberg -billedet , der har en lighed med Poisson -parenteserne i den klassiske mekanik. De Poisson parentes afløses af en ikke-nul kommutator , siger [H, A] til observerbar A, og Hamilton H:

${\ displaystyle {\ frac {d} {dt}} A = (i \ hbar)^{-1} [A, H]+\ venstre ({\ frac {\ delvis A} {\ delvis t}} \ højre ) _ {\ mathrm {klassisk}}.}$

Denne ligning angiver en usikkerhedsrelation i kvantefysikken. For eksempel giver energien E (fra det Hamiltoniske H) med tiden (det observerbare A) :

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

hvor

${\ displaystyle \ Delta E}$ er usikkerheden i energi

${\ displaystyle \ Delta T}$ er usikkerheden i tide

${\ displaystyle \ hbar}$er Plancks konstante

Jo mere præcist man måler varigheden af ​​en hændelsesrekke , jo mindre præcist kan man måle energien forbundet med den sekvens og omvendt. Denne ligning adskiller sig fra standardusikkerhedsprincippet, fordi tiden ikke er en operator i kvantemekanik.

Tilsvarende kommutatorforhold gælder også for momentum p og position q , som er konjugerede variabler af hinanden, sammen med et tilsvarende usikkerhedsprincip i momentum og position, svarende til energi- og tidsforholdet ovenfor.

Kvantemekanikken forklarer egenskaberne af periodiske system af elementer . Fra og med Otto Sterns og Walter Gerlachs eksperiment med molekylære stråler i et magnetisk felt, var Isidor Rabi (1898–1988) i stand til at modulere strålens magnetiske resonans. I 1945 foreslog Rabi derefter, at denne teknik skulle være grundlaget for et ur ved hjælp af resonansfrekvensen af en atomstråle.

Dynamiske systemer

Se dynamiske systemer og kaosteori , dissipative strukturer

Man kan sige, at tiden er en parameterisering af et dynamisk system, der tillader systemets geometri at blive manifesteret og betjent. Det er blevet hævdet, at tid er en implicit konsekvens af kaos (dvs. ikke -linearitet / irreversibilitet ): et systems karakteristiske tid eller hastighed for informationsentropi -produktion . Mandelbrot introducerer iboende tid i sin bog Multifractals og 1/f noise .

Signalering

Signalering er en anvendelse af de ovenfor beskrevne elektromagnetiske bølger . Generelt er et signal en del af kommunikationen mellem parter og steder. Et eksempel kan være et gult bånd bundet til et træ eller ringningen af ​​en kirkeklokke . Et signal kan være en del af en samtale , som involverer en protokol . Et andet signal kan være timevisningens position på et byur eller en togstation. En interesseret part kunne ønske at se det ur for at lære klokken. Se: Tidsbold , en tidlig form for tidssignal .

Evolution af en verdenslinje af en accelereret massiv partikel. Denne verdenslinje er begrænset til de tidlige top- og bundafsnit af denne rumtidsfigur ; denne verdenslinje kan ikke krydse den øverste ( fremtidige ) eller den nederste ( tidligere ) lyskegle . Venstre og højre sektion (som er uden for lyskeglerne) er rumlignende .

Vi som observatører kan stadig signalere forskellige parter og steder, så længe vi lever inden for deres tidligere lyskegle . Men vi kan ikke modtage signaler fra disse fester og steder uden for vores tidligere lyskegle.

Sammen med formuleringen af ​​ligningerne for den elektromagnetiske bølge kunne telekommunikationsområdet grundlægges. I det 19. århundredes telegrafi kunne elektriske kredsløb , nogle spænder over kontinenter og oceaner , overføre koder - enkle prikker, streger og mellemrum. Herfra er der opstået en række tekniske spørgsmål; se Kategori: Synkronisering . Men det er sikkert at sige, at vores signalsystemer kun kan synkroniseres tilnærmelsesvis , en plesiokron tilstand, hvorfra rystelser skal fjernes.

Når det er sagt, kan systemer synkroniseres (ved en teknisk tilnærmelse) ved hjælp af teknologier som GPS . GPS -satellitterne skal redegøre for virkningerne af gravitation og andre relativistiske faktorer i deres kredsløb. Se: Selvklokkende signal .

Teknologi til tidtagningsstandarder

Den primære tid standard i USA er for øjeblikket NIST-F1 , en laser -cooled Cs springvand, den sidste i en række af tid og frekvens standarder, fra ammoniak baserede atomur (1949) til cæsium -baserede NBS-1 ( 1952) til NIST-7 (1993). Den respektive urusikkerhed faldt fra 10.000 nanosekunder om dagen til 0,5 nanosekunder om dagen i 5 årtier. I 2001 var urusikkerheden for NIST-F1 0,1 nanosekunder/dag. Udviklingen af ​​stadig mere præcise frekvensstandarder er i gang.

I denne tids- og frekvensstandard laserafkøles en population af cæsiumatomer til temperaturer på en mikrokelvin . Atomer samler sig i en kugle formet af seks lasere, to for hver rumlig dimension, lodret (op/ned), vandret (venstre/højre) og frem/tilbage. De lodrette lasere skubber cæsiumkuglen gennem et mikrobølgehulrum. Når bolden afkøles, afkøles cæsiumpopulationen til sin jordtilstand og udsender lys ved dens naturlige frekvens, angivet i definitionen af anden ovenfor. Elleve fysiske effekter er redegjort for i emissionerne fra cæsiumpopulationen, som derefter kontrolleres i NIST-F1-uret. Disse resultater rapporteres til BIPM .

Derudover rapporteres der også en reference hydrogenmaser til BIPM som en frekvensstandard for TAI ( international atomtid ).

Tidsmålingen overvåges af BIPM ( Bureau International des Poids et Mesures ), der ligger i Sèvres , Frankrig, hvilket sikrer ensartethed af målinger og deres sporbarhed til International System of Units ( SI ) verden over. BIPM opererer under myndighed i Meterkonventionen , en diplomatisk traktat mellem 51 nationer, konventionens medlemsstater gennem en række rådgivende udvalg, hvis medlemmer er de respektive nationale metrologiske laboratorier.

Tid i kosmologi

Ligningerne for generel relativitet forudsiger et ikke-statisk univers. Imidlertid accepterede Einstein kun et statisk univers og ændrede Einstein -feltligningen til at afspejle dette ved at tilføje den kosmologiske konstant , som han senere beskrev som den største fejl i sit liv. Men i 1927 argumenterede Georges Lemaître (1894–1966) på grundlag af generel relativitet , at universet opstod i en ureksplosion. På den femte Solvay -konference , det år, børstede Einstein ham af med " Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable. " ("Din matematik er korrekt, men din fysik er afskyelig"). I 1929 annoncerede Edwin Hubble (1889–1953) sin opdagelse af det ekspanderende univers . Den nuværende generelt accepterede kosmologiske model, Lambda-CDM-modellen , har en positiv kosmologisk konstant og dermed ikke kun et ekspanderende univers, men et accelererende ekspanderende univers.

Hvis universet ekspanderede, må det have været meget mindre og derfor varmere og tættere tidligere. George Gamow (1904–1968) antog, at overflod af grundstofferne i elementernes periodiske tabel muligvis kan forklares med atomreaktioner i et varmt tæt univers. Han blev bestridt af Fred Hoyle (1915-2001), der opfandt udtrykket ' Big Bang ' for at nedsætte det. Fermi og andre bemærkede, at denne proces ville være stoppet, efter at kun de lette elementer blev skabt, og dermed ikke tegnede sig for overflod af tungere elementer.

WMAP udsving i den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling

Gamows forudsigelse var en strålingstemperatur på 5–10 kelvin sort krop for universet, efter at det var afkølet under udvidelsen. Dette blev bekræftet af Penzias og Wilson i 1965. Efterfølgende forsøg nåede frem til en temperatur på 2,7 kelvin, svarende til en alder af universet på 13,8 milliarder år efter Big Bang.

Dette dramatiske resultat har rejst spørgsmål: hvad der skete mellem Big Bangs singularitet og Planck -tiden, som trods alt er den mindste observerbare tid. Hvornår kunne have tid adskilt fra rumtiden skum ; der er kun tip baseret på brudte symmetrier (se Spontan symmetri brydning , Big Bang tidslinje og artiklerne i Kategori: Fysisk kosmologi ).

Generel relativitet gav os vores moderne forestilling om det ekspanderende univers, der startede i Big Bang. Ved hjælp af relativitet og kvanteteori har vi været i stand til groft at rekonstruere universets historie. I vores epoke , hvor elektromagnetiske bølger kan forplante sig uden at blive forstyrret af ledere eller ladninger, kan vi se stjernerne på store afstande fra os på nattehimlen. (Før denne epoke var der en tid, før universet var afkølet nok til, at elektroner og kerner kunne blive til atomer omkring 377.000 år efter Big Bang , hvor stjernelys ikke ville have været synligt over store afstande.)

Gentag

Ilya Prigogines reprise er " Tiden går forud for eksistensen " . I modsætning til Newtons, Einsteins og kvantefysikkens synspunkter, der giver et symmetrisk tidsbillede (som diskuteret ovenfor), påpeger Prigogine, at statistisk og termodynamisk fysik kan forklare irreversible fænomener samt tidspilen og det Big Bang .

Se også

• Relativistisk dynamik
• Kategori: systemer af enheder
• Tid i astronomi

Referencer

Yderligere læsning

• Boorstein, Daniel J., The Discoverers . Årgang. 12. februar 1985. ISBN  0-394-72625-1
• Dieter Zeh, H. , Det fysiske grundlag for tidens retning . Springer. ISBN  978-3-540-42081-1
• Kuhn, Thomas S. , Strukturen af ​​videnskabelige revolutioner . ISBN  0-226-45808-3
• Mandelbrot, Benoît , Multifractals og 1/f støj . Springer Verlag. Februar 1999. ISBN  0-387-98539-5
• Prigogine, Ilya (1984), Order out of Chaos . ISBN  0-394-54204-5
• Serres, Michel , et al., " Samtaler om videnskab, kultur og tid (studier i litteratur og videnskab) ". Marts 1995. ISBN  0-472-06548-3
• Stengers, Isabelle og Ilya Prigogine, Theory Out of Bounds . University of Minnesota Press. November 1997. ISBN  0-8166-2517-4

eksterne links

• Medier relateret til Tid i fysik på Wikimedia Commons