Время. Современные методы его измерения

план

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….3

1. ПОНЯТИЕ «ВРЕМЯ» В СВОЕМ РАЗВИТИИИ………………………4
2. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ……………..7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….13

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………..14

введение

Время –  одно из самых знакомых человеку свойств  нашего мира. И вместе с тем, оно  имеет репутацию самого загадочного: «Что же такое время?». Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю, что такое время. А если бы я захотела объяснить спрашивающему, то не смогла бы этого сделать. Загадочность времени связана с его течением, с существованием потока времени, знакомого каждому человеку в личном опыте. Под течением времени понимают его логическое свойство: настоящий момент, который мы называем «теперь, сейчас», как бы постоянно движется в направлении будущего, увеличивая объем прошлого, оставляемого за собой [6].

Тайна времени  увлекала человеческий разум не одно тысячелетие. Самые глубокие умы  человечества стремились проникнуть в  нее. До сих пор не преодолены многие тупики, в которые заводила эта  проблема. А когда удавалось освободиться от одних, настигали другие. Искусство  и литература, наука, философия и  теология вовлечены в этот нескончаемый процесс. Последние столетия бурно  развивающаяся наука пролила  некоторый свет на природу времени, изучив специфические для соответствующей  области науки проявления временного. В итоге, оптимистические ожидания переросли в осознание того, что ускользает опять целостное проникновение в сущность времени [1, c. 172].

Время многолико. Это и явление Мира, обнаруживающее себя изменениями внутри и вне  нас, и способ измерения изменений, именуемый часами, и конструктор человеческого разума, позволяющий описывать и сопоставлять изменения друг с другом.  Почему проблемы времени оказываются столь важными для всего человечества? Представления о времени пронизывают и науку, и культуру, и быт, и технологическое окружение человека [1, c. 172; 6].

В своей  работе я расскажу, что же такое  время, дам понятие времени. А  также опишу методы измерения времени, которые весьма разнообразны. Проблемой измерения времени, независимо от способа и системы его отсчёта, занимаются различные разделы науки и техники. Технические средства – счетчики времени (часы и другие приборы) для счёта время и воссоздания его единиц и их долей разрабатываются в хронометрии. Астрономия даёт возможность с помощью специальных наблюдений небесных светил контролировать работу счётчиков времени и определять поправки к шкалам времени.

1. ПОНЯТИЕ «ВРЕМЯ» В СВОЕМ РАЗВИТИИ

Ответить на вопрос «что такое время» нелегко. В самом общем виде можно  сказать, что время – это основная (наряду с пространством) форма существования материи, непрерывная череда сменяющих друг друга явлений. Оно существует объективно и неразрывно связано с движущейся материей. Главное свойство времени состоит в том, что оно длится, течет безостановочно. Пространство можно оградить, но время остановить невозможно. Они неотделимы от материи, связаны с ее движением и друг с другом. По выражению И. Пригожина, что «для большинства основателей классической науки (и даже А. Эйнштейна) наука была попыткой выйти за рамки мира наблюдаемого, достичь вневременного мира высшей рациональности – мира Спинозы». Фактически все картины мира, рожденные точной наукой, освобождены от развития, «отрицают время» [5]. 
         Понимание времени, увлекающего мир в непрерывное движение, наиболее ярко выразил Гераклит, который говорил, что «в одну реку нельзя войти дважды», «все течет, все изменяется», «мир является совокупностью событий, а не вещей». Законы природы неизменны, они сохраняются в любом месте и в любое время [5].

У Прокла (ок. 412 – 485) для большей строгости к понятию времени применены геометрические рассуждения: «Время не подобно прямой линии, безгранично продолжающейся в обоих направлениях. Оно ограничено и описывает окружность. Движение времени соединяет конец с началом, и это происходит бесчисленное число раз. Благодаря этому время бесконечно».

Платон (ок. 428 — 347 до н. э.) писал: «Поскольку день и ночь, круговороты месяцев  и лет, равноденствия и солнцестояния  зримы, глаза открыли нам число, дали понятие о времени и побудили исследовать природу Вселенной» [5].

 Архимед в трактате «О спирали» показывал, что спираль соединяет цикличность с поступательным движением. Может быть, спираль подойдет для наглядного образа времени, соединив поток и окружность?! Узор из спирали с солнцами был найден на остатках кувшинов неолита и на древнем календаре – жезле из бивня мамонта, обнаруженном недавно в Восточной Сибири. Археологи истолковывают эти узоры как отображение идеи Времени. 
         Первую физическую теорию времени дал Ньютон: «Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Абсолютное время – идеальная мера длительности всех механических процессов. Как не наблюдаемо истинно равномерное движение, так и измерить время можно только приближаясь к истинному, математическому, входящему в уравнения. Абсолютное время однородно, это означает симметрию относительно сдвигов. Значит, и точка отсчета времени не имеет значения, она не меняет длительность. То же можно сказать и о пространственных симметриях классической механики. В пространстве нет выделенных ни точек, ни направлений, оно однородно и изотропно. Ньютон не только исключил время из своей картины Вселенной, но и утвердил его в сознании как внешний параметр. Стало возможным рассматривать непрерывные периодические процессы равной длительности для построения модели, легко вводить метрику времени. Это позволило построить всю систему мира, подтвердить впечатляющие предсказания теории Ньютона для Вселенной. Непрерывность времени означает, что между двумя моментами времени, как близко бы они не располагались, всегда можно выделить третий [4, c. 237].

Особым  свойством времени является его  однонаправленность или необратимость. Это свойство времени рассматривают, как следствие второго начала термодинамики, или Закона возрастания энтропии. В классической физике существует абсолютное, «вселенское время». Г.Лейбниц считал время относительным «порядком последовательностей». Но в современной физике не существует единого «всемирного» хода времени. В биологии и геологии время рассматривали иначе. Так, основоположник геологии, датчанин Н.Стенсен, строил пространственные отношения не на основе движения или перемещения тел в нем, а с точки зрения временной последовательности «раньше – позже». Этот подход естественен для геолога, рассматривающего историю планеты через наслоения в камне. 
Пространственно-временной континуум – новое средство характеристики физических явлений, используя которое для описания событий в природе нужно применять не два, а четыре числа [2, c. 185].

С точки  зрения Эйнштейна, физическое пространство, постигаемое через объекты и  их движения, имеет три измерения, и положение объектов характеризуется  тремя числами. Момент события – четвертое число. Потому мир событий есть четырехмерный континуум. У Эйнштейна не имеет смысла деление этого мира на время и пространство, поскольку описание мира событий «посредством статической картины на фоне четырехмерного пространственно-временного континуума» более удобно и объективно. Измеренное значение времени оказалось зависимым от движения наблюдателей. Время для движущегося наблюдателя течет медленнее, чем для неподвижного: этот эффект замедления может быть заметен лишь для скоростей, сравнимых со скоростью света в вакууме [2, c. 186]. 

 Для определения момента произошедшего события обычно достаточно одного измерения, указания только одного числа. Такое восприятие времени настолько привычно, что большее число измерений для времени трудно вообразить. Но наблюдаемые события происходят от прошлого к будущему. И это качественно отличает временное измерение от пространственного, причем для любого наблюдателя в данной точке пространства последовательность событий сохраняется. Можно сказать, что понятия «прошлое» и «будущее» в данной точке пространства есть понятия абсолютные. Для пространственных осей нет такого выделения направлений, и поворот на 180° вокруг оси, перпендикулярной линии, которая соединяет два одновременных события, переводит происходящее слева от наблюдателя событие в правое. То есть понятия «правое» и «левое» относительны для одновременных событий. Направленность времени тесно связана с пониманием причинности: причина должна предшествовать следствию. Это свойство времени относится к классу нерешенных проблем в физике и во всем естествознании, в дальнейшем мы убедимся, что по этой причине в науке существует ряд парадоксальных ситуаций [2, c. 186].

2. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ

Уже в глубокой древности в основу измерения больших и малых  промежутков времени легли астрономические  явления, обусловленные движением  небесных светил, прежде всего, Земли и Луны. На современном уровне развития науки представляется, что счет времени Вселенной начат с события, произошедшего почти 15 миллиардов лет назад, после которого Вселенная расширяется. Время измеряют путем наблюдения за периодически повторяющимися процессами. В качестве единицы для измерения больших интервалов времени стал применяться год, определяемый периодом обращения Земли вокруг Солнца; с этой единицей время связан цикл изменений в природе. Более мелкой единицей  стал служить цикл смены лунных фаз (синодический месяц), который, несколько изменившись, превратился в существующий поныне месяц [3, c. 280].

Сутки связаны с циклом смены светлого и тёмного времени и обусловлены вращением Земли. Для отсчёта ещё более мелких интервалов времени сутки делились на часы, причём первоначально светлое время суток делилось на 12 дневных часов, а тёмное – на 12 ночных часов, различных по длине и не имеющих постоянной продолжительности в течение года. Позже было введено деление суток на 24 равных часа. Сутки были первой естественной единицей меры времени, регулировавшей труд и отдых. Сейчас понятно, что периодическая смена дня и ночи происходит из-за вращения Земли вокруг своей оси. Есть два вида солнечного времени – истинное и среднее солнечное [3, c. 281].

Промежуток времени между двумя  последовательными кульминациями  центра Солнца на одном и том же меридиане, равный периоду вращения Земли, называют истинными солнечными сутками. Но измерять ими время тоже неудобно, они в июне короче на 51 с, чем в январе. Дело в том, что Земля движется по орбите вокруг Солнца неравномерно: вблизи перигелия (в январе) ее скорость наибольшая, а вблизи афелия (в июне) — наименьшая (второй закон Кеплера). Потому и истинные солнечные сутки непостоянны, и вместо них используют сутки, равные средней длине истинных солнечных суток за год. Кроме того, из-за движения Солнца по эклиптике происходит видимое годичное движение Солнца с запада на восток, т.е. в направлении против вращения. Ввели понятие среднего Солнца, звездных суток и звездного времени [5].

Звездные сутки определяются периодом вращения Земли вокруг своей оси относительно любой звезды. Но звезды тоже имеют собственные движения. Условились определять длительность звездных суток как промежуток времени между двумя последовательными кульминациями точки весеннего равноденствия, находящейся на одном и том же меридиане. Оказалось, что из-за прецессии средние звездные сутки уменьшаются на 0,0084 секунды, и они на 3 минуты 56 секунд короче средних солнечных. Звездное время очень важно в астрономии, оно определяет положение светил, а в обыденной жизни используется солнечное время. И за среднюю единицу солнечных суток приняли 24 часа 3 минуты 56,5554 секунды звездного времени. Измерение солнечного времени основано на видимом суточном движении Солнца [3, c. 281; 5]. 
Истинный полдень наступает на разных меридианах Земли в разное время, и для удобства принято соглашение (по идее канадского ученого С.Флешинга) о делении земного шара на часовые пояса, которые проходят через 15 градусов по долготе, начиная с меридиана Гринвича. Это – Лондонский меридиан нулевой долготы, и пояс назван нулевым (западноевропейским). Время 1-го часового пояса (Рим, Берлин, Осло) названо среднеевропейским, а 2-го – восточноевропейским. Всего часовых поясов – 24, внутри каждого пояса время принимается одинаковым – среднепоясным. Но территориальное деление не совпадает с делением на часовые пояса, и часто их проводят приблизительно по рекам или административным границам. Примерно на 180-градусном меридиане происходит по договору линия перемены дат, т. е. день начинается в Японии и на Камчатке, потом в Сибири, Китае и Австралии, затем в Европе и Африке, потом – в Америке и заканчивается на Аляске. При пересечении линии изменения дат на самолете в восточном направлении одно и то же число приписывается двум дням, а в западном — один день теряется. Кроме того, в ряде стран указами вводят часовой сдвиг – переход на зимнее или летнее время. Согласованное решение о введении поясного времени приняли на Международной конференции в 1883 г. В нашей стране, простирающейся на 11 часовых поясов, поясное время ввели в 1919 г., взяв за основу международную систему часовых поясов и существовавшие тогда административные границы [5].

С развитием хозяйственной деятельности человека к проблеме измерения времени  стали предъявлять более высокие  требования. Совершенствовались приборы  для измерения времени – часы, что позволяло вводить всё  более точные системы счёта времени применительно к практическим и научным требованиям. В современных часах система счёта времени задаётся тем или иным искусственным периодическим процессом: качанием балансира (морские хронометры, часы в быту и др.), маятника (астрономические часы и др.), колебанием кварцевой пластинки (кварцевые часы). В наиболее точных кварцевых часах стабильность колебаний кварца контролируется квантовыми генераторами, действие которых основано на периодических процессах, происходящих в атомах и молекулах (атомные часы).  
         Секунда – общепринятая единица времени, примерно с периодом 1 секунды бьется пульс человека. Исторически эта единица связана с делением суток на 24 часа, 1 часа – на 60 минут, 1 минуты – на 60 секунд. До 1964 г. международная единица времени была основана на суточном вращении Земли. Но продолжительность суток оказалась подверженной разным вариациям и зависящей от положения Земли на орбите при ее движении вокруг Солнца. Изменения скорости вращения на протяжении года составляют около 10-8 секунд. Поэтому за стандарт были выбраны средние солнечные сутки 1900 г. Но солнечные сутки примерно на 4 минуты длиннее звездных, т. е. времени поворота на 360° [3, c. 282].

Потребность в часах с более  высокой точностью хода была вызвана  развитием экспериментального естествознания. В 17 в. астрономы продолжали пользоваться водяными и песочными часами: Ньютон занимался усовершенствованием водяных часов; Тихо Браге пользовался песочными или ртутными часами, поскольку механические часы не давали нужной точности; Галилей проводил свои опыты с падением тел при помощи водяных часов. Галилей и Гюйгенс считаются изобретателями маятниковых часов. Это изобретение не только открыло новую эпоху в хронометрии, но и имело далеко идущие последствия для развития науки. Галилей обнаружил изохронность колебаний маятника, и поиск колебательных динамических систем привел к более точным стандартам в измерении времени. В честь изобретения маятниковых часов 18 век часто называют «веком часов». 
Если маятниковые часы могли обеспечить точность хода 0,1 секунды, то к началу 20 века применение свободного анкерного хода повысило точность маятниковых часов на порядок. Использование средств электротехники и двух маятников позволило повысить точность астрономических часов в 1921 г. до 0,001 секунды [3, c. 282].

Применение особо прочных сплавов  для изготовления пружин позволило  повысить точность и бытовых часов. Наибольший прогресс в повышении точности хода (на 2 – 3 порядка) был достигнут при использовании электронной схемы в сочетании с новыми осцилляторами – кварц, камертон, атом, молекула. Изобретение и усовершенствование кварцевых часов в 20 – 30-е гг. связано с развитием пьезотехники, что позволило довести точность измерения секунды до (3 – 4) 10-11 и дало возможность уловить малые колебания вращения Земли вокруг оси. 
          Атомная секунда – интервал времени, в течение которого совершается почти 10 миллиардов колебаний атома Cs. Это число согласуется с наилучшими астрономическими определениями секунды. В 1967 г. в качестве эталона был выбран изотоп 133Cs. В настоящее время эталоном времени является водородный мазер, изготовленный в Швейцарии, с шириной спектра 1 Гц, стабильность которого доведена до 10-12. С 1 января 1971 г. все страны мира перешли на отсчет микровремени с помощью атомных часов. Существуют уже и более стабильные стандарты времени (и частоты) – система «оптические часы», созданная из цепочки сверхстабильных лазеров в Новосибирске, обеспечивает стабильность на два порядка лучшую. Это даст погрешность хода 1 секунды в 1 миллион лет! Развитие полупроводниковых радиоэлектронных приборов открыло перспективы в создании электронных и электронно-механических наручных часов с высокой точностью хода [5].