Как расщепляют мгновение

Материал из IrkutskWiki
Перейти к: навигация, поиск

Содержание

Автор статьи

Жданов Алексей[1]

Введение

Выбор темы, ее актуальность и новизна

В. Ключевский писал, что «крупный успех составляется из множества предусмотренных и обдуманных мелочей», мелочей, которые составляют нашу жизнь, которые в своей совокупности отождествляют материю, вещество. Казалось бы, науки, существующие на протяжении веков и деятельно проявляющие себя в любых сферах нашей жизни, исследовали и заключили во всевозможные теории и аксиомы ответы на вопросы «Что? Почему? Как?». Но как бы гениальнейшие умы человечества не изобретали всё более сложные подходы к изучению физических явлений, как бы не сооружали громадные коллайдеры, как бы не пытались приблизиться к познанию истины, природа в любом случае окажется ещё более необъяснимой и загадочной. На протяжении всей истории главная и, наверное, единственная цель человечества – подчинить себе «матушку природу». Но, как не странно, по мере того, как человек познавал мир, эта цель скорее перерождалась в желание, желание постичь все тайны мирозданья. А может ли человек постичь эти тайны? Именно этот вопрос был и остается точкой соприкосновения физики и философии. Одни философы утверждают, что человек рано или поздно преодолеет черту, за которой предел человеческих возможностей. Другие же напротив уверены, что человек не способен даже издалека наблюдать истину, ответить на свои же вопросы. Ко второму разряду философов относился и русский классик – Федор Иванович Тютчев. На протяжении всей жизни он стремился познать все тайны мирозданья, но, в конце концов, пришел к выводу, что человек этого сделать не в силах. Вдохновленный этой идеей Тютчев пишет стихотворение «Фонтан»:

Смотри, как облаком живым

Фонтан сияющий клубится;

Как пламенеет, как дробится

Его на солнце влажный дым.

Лучом поднявшись к небу, он

Коснулся высоты заветной -

И снова пылью огнецветной

Ниспасть на землю осужден.

О смертной мысли водомет,

О водомет неистощимый!

Какой закон непостижимый

Тебя стремит, тебя мятет?

Как жадно к небу рвешься ты!..

Но длань незримо-роковая,

Твой луч упорный преломляя,

Свергает в брызгах с высоты.

Но, что бы не говорили философы, надежда познать тайны природы всё ещё живет в наших умах, а, следовательно, поиски ответов на вопросы продолжаются.

Наверное, каждый современный человек имеет представление о том, что же такое элементарная частица. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Вообще, способность к взаимным превращениям – это характерная особенность элементарных частиц; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания». Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Следует отметить, что не только материя состоит из простейших частиц, видимых вооруженным взглядом, но и время также можно поделить на своеобразные «кирпичики мирозданья».

Почему меня заинтересовало то, как расщепляют мгновение? Деление времени – это воочию свежий глоток воздуха, новая мысль, идея, открывающая новые возможности. Что же происходит с нашим миром, с веществом, с энергией и, может быть, с пространством на промежутках времени ещё меньше чем 10-24 секунды? Пожалуй, это главный вопрос, беспокоящий современных физиков и меня в том числе.

Объект и предмет исследования

Время - объект исследования.

Физические основы измерения коротких и сверхкоротких промежутков времени - предмет исследования.

Цель, задачи

Цель:

Исследование и теоретическое обоснование целесообразности и сущности измерения коротких и сверхкоротких промежутков времени.

Задачи:

  1. Систематизировать собственные знания и представления о том, что происходит на малейших временных масштабах.
  2. Выделить основные особенности современных подходов к изучению коротких и сверхкоротких промежутков времени.
  3. Определить способы изучения.
  4. Попытаться зафиксировать с помощью фотографии события, происходящие на миллисекундном и микросекундном диапазоне.

Практическая значимость работы

Как говорил Резерфорд: «Наука есть простейший способ удовлетворения любопытства за счет государства». Однако, чтобы проводить опыты необходимы дорогостоящие приборы, что, к сожалению, не возможно, даже при финансовой поддержке лицея. Но если говорить о результатах исследований физиков, то можно смело сказать: «Дальнейшее изучение коротких и сверхкоротких промежутков времени, а также изменение материи или вещества за мгновения позволит глубоко проникнуть в природу пространства и времени, решить вопрос о происхождении массы, природе темной материи и темной энергии, существовании дополнительных измерений».

Теоретическая часть

Что такое время

Время - мера существования материальных живых существ, неживой материи и взаимоотношений между ними. Время — одно из основных понятий физики и философии, одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел, а также сознание. В быту временем обычно называют время суток.

Эйнштейн сказал: время – относительно. И перевернул все представления о прошлом, настоящем и будущем. По нынешней теории, человечество как бы плывет по течению извилистой реки и наблюдает вокруг только настоящее. Однако некоторые ученые утверждают, что прошлое и будущее, скрытое за поворотами, не исчезает, а продолжает существовать.

Что же такое время? Ответ на вопрос о сущности времени до сих пор не найден, хотя впервые был поставлен еще древнегреческими философами-материалистами. Вот как изложил сущность их взглядов на природу времени в своей поэме «О природе вещей» римский поэт Лукреций Кар, живший в I в. до н. э.:


Так же и времени нет самого по себе, но предметы

Сами ведут к ощущению того, что в веках совершилось,

Что происходит теперь и что воспоследует позже.

И неизбежно признать, что никем ощущаться не может

Время само по себе, вне движения тел и покоя.


Ньютон в своих трудах сделал попытку внести в науку понятие абсолютного времени. Он писал: «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».

Сегодня физики считают, что ближе к пониманию природы времени были древнегреческие философы-математики, чем Ньютон. Абсолютное время может существовать только лишь в воображении людей, при любых измерениях времени по необходимости приходится обращаться к совокупности физических явлений, последовательно сменяющих друг друга.

Время как физическая величина обладает рядом особенностей, в силу которых методы его измерения отличаются от методов измерения других величин. Любой промежуток времени можно измерить лишь один раз, только тогда, когда он протекает. Повторить измерения, как это делают, например, при измерении длины, нельзя, так как вернуться в прошлое невозможно.

Сутки – естественная единица времени. В единицах измерения времени не было такого разнообразия, как в единицах длины. Уже в глубокой древности периодическая смена дня и ночи служила мерой измерения времени у всех народов. «День и ночь – сутки прочь», - говорится в пословице.

День от восхода до захода солнца разные народы делили по-разному. Персы делили день на пять частей, древние египтяне на 12 равных промежутков. Мы сейчас пользуемся системой счета времени, которая была создана еще в древнем Вавилоне. Там делили сутки на 24 часа, час – на 60 минут.

Видимое движение Солнца и звезд вокруг Земли, как известно, происходит вследствие вращения Земли вокруг своей оси. Следовательно, при выборе суток в качестве единицы измерения времени длительность одного такого оборота и принята за единицу измерения времени.

Естественная единица измерения времени – сутки часто оказывается слишком большой для практических целей, поэтому в качестве основной единицы измерения времени выбрана секунда – 1/86400 часть суток.

Свойства времени

Был этот мир глубокой тьмой окутан.

Да будет свет! И вот явился Ньютон.

Но Сатана недолго ждал реванша:

Пришёл Эйнштейн – и стало всё, как раньше.

А.Поп, А.Эддингтон. Пер. С.Маршака

В классической физике, время — непрерывная величина, априорная1 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. В любом случае «скорость течения времени» не может ни от чего зависеть, а потому логически равна константе. В классической физике время однородно и одномерно.

Одномерность времени проявляется в том, что для указания момента наступления какого-либо события или длительности какого-либо процесса достаточно одного числа.

Однородность времени проявляется в неизменности физических законов: какими они были во времена Ньютона, такими остаются в наши дни, такими же будут и завтра. При этом совершенно не важно, что какие-то законы ещё не открыты человеком – в природе они действовали, действуют, и будут действовать. Опыт, поставленный в одинаковых физических условиях и в развые моменты времени, дает одинаковые результаты.

В специальной теории относительности2 ситуация кардинально меняется. Время рассматривается как часть единого пространства-времени, и, значит, может меняться при его преобразованиях. Можно сказать, что время становится четвёртой координатой. «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 вышеназваных теорий требует нового определения времени, как число процессов в системе отсчёта произошедших одновременно (т.е. являющихся причиной одного события в локальной точке) с данным процессом. Система отсчёта времени может быть неравномерная (как процесс вращения солнца вокруг земли) или равномерная.

Впрочем, в математической физике ещё есть неразрешённые вопросы о природе времени. Эти вопросы не разрешимы, но важны.

Отсчет времени

Как в классической, так и в релятивистской физике3 для отсчёта времени используется временная координата пространства-времени, причём традиционно принято использовать знак «+» для будущего, а знак «-» — для прошлого. Однако смысл временной координаты в классическом и релятивистском случае различен.

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. Например, в классической механике полная энергия, полный импульс и полный момент импульса изолированной системы являются сохраняющими величинами.

Различные физические явления можно разделить на три группы:

  1. стационарные — явления, основные характеристики которых не меняются со временем. Фазовый портрет стационарного явления описывается неподвижной точкой.
  2. нестационарные — явления, для которых зависимость от времени принципиально важна.

«Портрет» нестационарного явления описывается движущейся по некоторой траектории точкой. Они, в свою очередь, делятся на:

  1. периодические — если в явлении наблюдается чёткая периодичность (замкнутая кривая)
  2. квазипериодические — если они не являются в строгом смысле периодическими, но в малом масштабе выглядят как периодические (почти замкнутая кривая)
  3. хаотические — апериодические явления (незамкнутая кривая, заметающая некоторую площадь более или менее равномерно).
  4. квазистационарные — явления, которые, строго говоря, нестационарны, но характерный масштаб их эволюции много больше тех времён, которые интересуют в задаче.

Направленность времени

С современной точки зрения различие между прошлым и будущим является принципиальным. Информация переносится из прошлого в будущее, но не наоборот. Второе начало термодинамики указывает также на накопление в будущем энтропии4.

Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр» оспаривает утверждение, что для физических законов существует различие между направлением «вперёд» и «назад» во времени. Хокинг обосновывает это тем, что передача информации возможна только в том же направлении во времени, в котором возрастает общая энтропия Вселенной. Таким образом, Второй закон термодинамики5 является тривиальным, так как энтропия растет со временем, потому что мы измеряем время в том направлении, в котором растет энтропия.

Единственность прошлого (во всяком случае, касательно процессов макромира) считается весьма правдоподобной. Мнения учёных (как и философов) касательно наличия или отсутствия различных «альтернативных» будущих различны.

В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу, согласно которой в пределах Вселенной время не одинаково. Для чего-то или кого-то, движущегося быстрее, время замедляется, по меньшей мере, с точки зрения постороннего наблюдателя. А вот путешествие в прошлое, по всей вероятности, невозможно. Будущее, согласно взглядам Эйнштейна, в определенной мере достижимо.

Какие теории по перемещению во времени существуют в наши дни? Ученые предлагают различные идеи по созданию способа перемещения во времени.

Сенсационное заявление сделал астрофизик Красников на научной конференции в Лондоне. Оказывается, еще со времени зарождения вселенной в результате «Большого взрыва» в космосе возникли естественные тоннели – как бы «ходы кротов», с помощью которых можно путешествовать во времени. Могут они возникать там, где пространство сильно изогнуто. Например, где существуют «черные дыры». Через эти-то пространственно-временные коридоры и можно за минуты слетать в прошлое или будущее. Своими расчетами Красников доказывает: «ходы» могут быть настолько большими, что позволят космическим кораблям почти мгновенно перемещаться сквозь пространство и время. Выводы ученого основаны на квантовой теории и общей теории относительности Эйнштейна.

Что такое «кротовый ход»? На листе бумаге сверху отметьте точкой положение Земли. В нижней части листа поставьте другую отметку. Пусть это будет некое место в космосе на расстоянии нескольких световых лет. А теперь скатайте бумажный лист так, чтобы обе точки соприкоснулись. Путь стал намного короче. Завершите эксперимент, проделав в бумажном листе два отверстия. Это и есть тот самый «ход».

Дело теперь за «малым», - остается найти эти туннели, которые писатели-фантасты называют «звездными вратами». Или – построить. Так же как туннель сквозь горный хребет, который короче объездной дороги. Только в данном случае придется прибегнуть к ускорителям элементарных частиц, создав «воронку» в пространстве. И увеличивать ее до приемлемых размеров, используя энергетические поля, схожие с теми, которые заставили космос мгновенно расшириться сразу после «Большого взрыва».

Затем необходимо укрепить стенки туннеля «экзотической материей», как ее называют ученые. Такую «материю» уже удавалось получить в лабораторных условиях. Правда, пока «слабенькую». Но через год-два ученые надеются получить более стабильные результаты. «Экзоматерия», выдерживающая давление в миллиарды миллиардов атмосфер, буде препятствовать стремлению туннеля сжаться в точку и стать «черной дырой» только с одним входом – без выхода.

Чтобы приспособить туннель для путешествий в пространстве, надо будет один вход расположить у земли, а второй отбуксировать к нужной звезде с помощью специального межзвездного корабля. Тогда, согласно теории Эйнштейна, возникнет парадокс: если для космонавтов на корабле путешествие займет, например, год, то на Земле за это время пройдет 10 000 лет. Вот тут-то и выручит «кротовина». Вместо того чтобы год тащиться обратно, корабль нырнет в отбуксированный им же туннель и вынырнет с его другого конца рядом с Землей. Для земного наблюдателя корабль вернется в обратную точку (к Земле) через мгновение после старта. «Кротовина» будет работать и как машина времени, и как самое скоростное средство для перемещения в пространстве.

Основы измерения времени

Начало научного мышления, извлекшего человека из животного состояния, связано с измерением времени, отмечал историк Г. Дильс.

Астрономия была первой наукой о времени. Вместе с астрономией развивалась гномоника – наука о часах. (Гномон – указатель перемещения тени Солнца, по длине и направлению которой измерялось время.)

Немыми памятниками, свидетельствующими о наличии практического интереса к астрономическим знаниям у людей позднего каменного и начала бронзового века (XX в. до н. э.), являются мегалитические, или крупнокаменные, постройки, ориентированные по Солнцу и Луне.

Среди них наибольшей известностью пользуются мегалитическое сооружение, расположенное на равнине в 13 км от г. Солсбери (Англия). Оно известно под названием Стоунхендж, имеющий такую древность, и сегодня продолжает будоражить мысль ученых, как одно из удивительных достижений техники и науки в эпоху первобытнообщинного строя.

Создание его совпало по времени с расцветом минойской цивилизации. Никакое другое мегалитическое сооружение Европы не насчитывает столько шлифованных камней. Если смотреть на Стоунхендж с земли, нельзя заметить никакого порядка. Он внушителен только тогда, когда его обозревать в плане сверху.

В центре сооружения имеется огромный круг диаметром 38 метров, состоящий из 30 голубых камней-монолитов высотой 5 метров, между которыми можно видеть горизонт и с удивительной точностью вести календарный счет дням.

Другой круг, расположенный концентрически с первым, состоял из 56 лунок. Лунка служила для отсчета лет (по лунке на каждый год). Число 56 – это наименьшее число лет, за которое Луна завершает цикл своего движения по небосводу.

Что же в действительности значит "наблюдать течение времени"? Очевидно, что это всегда сводится к сравнению длительности двух событий. Когда мы говорим, что человек прожил 74 года и 3 месяца, мы подразумеваем, что за время его жизни Земля обернулась вокруг Солнца 74 и 1/4 раза. Когда мы утверждаем, что радиоактивное ядро распалось через одну миллионную секунды после своего рождения, мы сравниваем время жизни ядра с одной секундой, которая есть 1/60 часть минуты, которая, в свою очередь, есть 1/60 часть часа, представляющего собой 1/24 часть суток - времени оборота Земли вокруг своей оси.

Использовать вращение Земли вокруг своей оси (или вокруг Солнца) в качестве базы для измерения времени довольно удобно, в первую очередь потому, что это процесс периодический и, следовательно, автоматически воспроизводимый. С другой стороны, астрономические измерения положения Земли могут улучшаться, и мы можем неожиданно обнаружить, что секунда, определенная астрономическим путем (1/60 х 60 х 24 часть периода обращения Земли вокруг своей оси), и секунда, отсчитываемая хорошим хронометром, могут перестать совпадать, и нам придется принять, что период колебания маятника хронометра не есть, скажем, точно одна десятая секунды, как мы полагали раньше, а немного другая величина. Как, однако, быть, если на самом деле мы уверены, что дело совсем не в хронометре, а в том, что предыдущие астрономические измерения были недостаточно точны? Выход очевиден: мы по-прежнему будем считать, что период колебания маятника есть одна десятая секунды, а период обращения Земли вокруг своей оси не есть точно 60 х 60 х 24 секунд, а несколько иное число. Ясно, что мы таким образом переопределили понятие секунды, и теперь уже секунда есть по определению десять периодов колебания нашего маятника.

Таким образом, представление о секунде как о базовой единице времени хранится сегодня лучшими хронометрами, а не вращением Земли вокруг собственной оси. Но какие хронометры можно считать лучшими? Вначале это были маятниковые часы, затем кварцевые и электронные, сейчас можно предложить более точные хронометры. Разумно, например, использовать периодический процесс, для которого мы имеем основания предполагать максимальную стабильность периода. В качестве такого периодического процесса можно предложить испускание света или радиоволн возбужденными атомами, особенно испускание в лазерном или мазерном режимах. Испускание световой волны есть периодический процесс, и период колебания волны может быть взят за определение единицы времени. Лучшие сегодняшние измерения покажут, например, что какой-то период равен определенной доле секунды, и в дальнейшем эта цифра может быть уже взята для определения секунды, все остальные измерения времени будут опираться на это определение секунды. Таким образом, по определению секунда - это некоторое число периодов колебания радиоволны в некотором мазере, взятом при некотором давлении, некоторой температуре и других фиксированных физических условиях. Конкретные цифры и название газа для нас сейчас не существенны.

Другой очень хороший хронометр, который может быть использован для определения единицы времени (то есть секунды), это - радиоактивное ядро или коротко живущая элементарная частица. Время жизни - очень стабильная характеристика, которая практически не зависит от давления, температуры и других внешних условий. Некоторое неудобство состоит в том, что распад не является периодическим процессом, как, например, испускание световой волны. Однако процесс распада легко воспроизводим, поскольку мы можем рождать все новые и новые ядра или элементарные частицы данного сорта. Опыт показывает, что время жизни ядра или элементарной частицы всегда остается одним и тем же, если мы измеряем его мазерным хронометром. Иными словами, радиоактивные часы никогда не убегают вперед и не запаздывают по сравнению с мазерными часами. Для обсуждения принципиальных вопросов мы можем с равным успехом использовать и те, и другие часы; в следующих разделах, в которых мы будем рассматривать явление замедления времени в движущихся системах, несколько более удобными будут радиоактивные часы.

А теперь проследим хронологию и эволюцию различных типов часов. За много тысячелетий до изобретения современных часов люди пытались измерять время. Для этого использовали свечи, масляные ламп, фитили. В древнем Китае существовали “часы”, которые были сделаны из пропитанных маслом верёвок, на которых были завязаны узлы. Шнурок горел, когда пламя достигало узла, проходил определённый промежуток времени. Позднее стали использовать солнечные часы. Посреди ровной площадки вбивали колышек. В солнечный день колышек отбрасывал тень на площадку, расчерченную как циферблат современных часов. В течение дня тень двигалась, и по её положению люди определяли время дня.

В домах патрициев Древнего Рима за показаниями солнечных часов следил специальный прислужник, который оповещал о наступлении очередного часа. Существует их портативный вариант: солнечные часы – посох. Из гнезда в трости путник достаёт стержень, вставляет его в отверстие у рукоятки и определяет время по делениям, которые опускаются к основанию.

Известны солнечные часы – перстень: на миниатюрной площадке с делениями, защищённой откидывающейся крышкой – крохотный стерженёк, здесь же компас.

В девяностом году до н.э. римский император Август повелел в честь победы над Египтом привезти оттуда гранитный обелиск массой 230 тонн и установить его в Риме. Обелиск высотой около 22 метров стал основой для гигантских солнечных часов с размерами циферблата 170 на 80 метров. Тень обелиска падала на 12 секторов со знаками зодиака, указывая время суток, дату и сезон года. Однако место, на котором были установлены часы, ежегодно заливалось Тибром.

Уже через несколько десятилетий обелиск покосился, и надписи на плитах циферблата стали неясными. Через некоторое время обелиск упал, и память о самых больших часах осталась только в древних рукописях. В 1748 году обелиск нашли и, не подозревая, что это главная деталь часов, поставили его в 200 метрах от прежнего места. Местонахождение часов оставалось загадкой. Профессор Бухнер, опираясь на литературные данные и астрономические расчёты, после 6 лет поисков нашёл, наконец, на глубине 8 метров, в отложениях нанесённых за прошедшие века Тибром, под фундаментом одного из домов плиты, с изображением зодиакального знака Девы. Исходя из этого, уже сравнительно нетрудно было рассчитать и положение других секторов циферблата.

Однако восстановить самые большие часы мира не представляется возможным – для этого пришлось бы снести целый квартал Рима.

Но в пасмурные дни и ночью солнечные часы не работали. Придумали водные часы. Из одного сосуда в другой равномерно по каплям переливалась вода. Поплавок со стрелкой поднимался. Такие часы показывали время и днём и ночью – не забывай только воды подливать.

В средние века – появились песочные часы, прикреплённые к дощечке с циферблатом, напоминающий современный. Каждый час служитель переворачивал опустевший стеклянный сосуд и в ручную переводил стрелку на циферблате. Тогда же появляется прибор – предшественник карманных и ручных часов – переносные песочные. Их носили, прикрепив ремнями к ноге ниже колена.

Близ дворца Карла V, короля Испании, в отдельной часовне круглосуточно горела свеча с 24 нанесенными на нее делениями. Сгорая, свеча уменьшалась на одно деление в час, о чем слуги докладывали королю.

В конце IV века появляются первые механические часы, и начинается постоянное состязание в техническом совершенстве сложности прибора: куранты, отбивающие часы, получасы и четверти; системы, воспроизводящие мелодии; механические фигурки, появляющиеся в определенное время у циферблата и разыгрывающие пантомимы.

Появляются миниатюрные часы с деталями в одну десятую грамма и часы-гиганты, у которых вес одной гири достигает 800 килограммов. Вершиной искусства часовых дел мастеров остаются и сегодня не превзойденные по сложности механизмы, такие кА часы в Безансоне (Франция) с 75 одновременно действующими циферблатами. 19 век - 1809 г. –Парижский ювелир Нитон, изготавливая подарок к свадьбе пасынка Наполеона Евгения Богарне и Августы Люксембургской, вмонтировал в усыпанный драгоценными камнями браслет миниатюрный часовой механизм. Он и не подозревал, что становится создателем наручных часов. Кстати, в то время его идею не оценили по достоинству: в почете была «луковица» - карманные часы с цепочкой, оснащенные боем, а иногда и репетинией (повторным сигналом времени, который давали нажатием кнопки). 20 век - 1904 г. – мастера Европы изготовили партию наручных часов для продажи в США. Но всю ее, как не нашедшую сбыта, пришлось вернуть в Старый Свет. А всего через несколько лет новинка получила признание у авиаторов. И наручные часы начали свое победное шествие, сегодня они выпускаются миллионами экземпляров ежегодно.

1926 г. – первые наручные часы с автоподзаводом выпущены в г. Гренхене.

1952 г. – появление первых электрических часов одновременно в США, Франции и Швейцарии.

1967 г. – в центре электронных часов в г. Невшатель разработаны первые кварцевые наручные часы.

1972 г. – появление кварцевых часов на жидких кристаллах (электронных).

1988 г. – первые кварцевые автоматические часы без батарейки, заряжающиеся от движения руки.

Развитие технологий требовало более высоких порядков в измерении времени. Каковы эталоны сейчас, каков порядок точности?

Первым эталоном, с которым сравнивали показания часов службы времени, был период вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд, т. е. звездные сутки. Астрономические наблюдения были важнейшей задачей службы времени: от частоты и точности этих наблюдений фактически зависела равномерность шкалы времени. Хранение времени между астрономическими наблюдениями, осуществлявшимися с помощью различных типов астрономических часов, приводило к тому, что шкала времени сильно искажалась.

Коренной перелом в вопросах хранения времени произошел с изобретением атомных и молекулярных стандартов частоты, с помощью которых физикам удалось создать независимые от вращения Земли эталоны времени исключительно высокой стабильности. Результаты сравнения шкал атомного времени некоторых обсерваторий показывают, что на интервале в несколько лет продолжительность секунды атомного времени у различных обсерваторий изменяется на величину около 10-10 с.

Атомное время хранится и поддерживается в результате непрерывной работы атомных часов, основа которых атомный (квантовый) эталон частоты. Наилучшим способом построения атомных часов является управление ходом непрерывно работающих кварцевых часов с помощью атомного стандарта частоты. Поэтому молекулярные и атомные часы используются в комбинациях с кварцевыми часами.

XII Международная конференция мер и весов (Париж, 1964 г.) рекомендовала признать за величину атомной секунды продолжительность 9 192 770 колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте энергетического перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния цезия-133, не возмущенного внешними полями. В дальнейшем XIII Генеральная конференция по мерам и весам (Париж, 1967 г.) утвердила это новое определение единицы времени. В основу атомной секунды были положены результаты экспериментов, выполненные в Национальной физической лаборатории (Англия) над цезиевыми часами.

Теперь шкала точного времени используется не только для научно-технических целей, ни и в промышленности и в народном хозяйстве. В связи с этим стало возможным точное сравнение всех вторичных мер времени и частоты с государственным эталоном, сопоставлять результаты выполненных измерений с единой шкалой времени.

Хотя шкалы атомного и астрономического времени являются независимыми, тем не менее, взаимосвязь между ними необходимо поддержать с высокой степенью точности как относительно единицы времени, так и эпохи 1900 г. Астрономические и атомные шкалы времени существуют параллельно и дополняют друг друга. В том случае, когда накопится расхождение между шкалой атомного времени, в которой транслируются сигналы точного времени системы всемирного координирования времени, и шкалой всемирного астрономического времени, эта секунда атомного времени будет введена скачком – добавлением и вычитанием целой секунды.

В России шкалу атомного времени контролируют с помощью государственного эталона времени и частоты, который основан на группе кварцевых часов, подстраиваемых по стабильной частоте водородного мазера и молекулярных кварцевых генераторов. Ведущие лаборатории служб времени других стран, имеющих атомные часы, формируют свои шкалы атомного времени, например в Англии, на применении цезиевых часов.

Сигналы точного времени передаются службой времени, имеющей в своем распоряжении группу первоклассных кварцевых часов и атомные эталоны. Когда суточный ход контролируется по атомному эталону, то точность порядка 10-23 с.

Относительность времени

В специальной теории относительности доказывается, что в движущейся системе отсчета, например в быстро летящей ракете, события развиваются быстрее, чем в неподвижной системе. Это надо понимать в следующем смысле: если интервал времени между двумя событиями в движущейся системе равен, например, 1 секунде, то по часам в неподвижной системе время, прошедшее между теми же событиями, будет больше, скажем, 2 секунды. Поэтому с точки зрения наблюдателя, использующего часы в неподвижной системе отсчета, например на Земле, время, прошедшее между двумя событиями в движущейся системе отсчета, например в ракете, замедлено.

На первый взгляд может показаться, что что-то случилось с движущимися часами, они, в некотором смысле, испортились.

Это, однако, не так. Наблюдатель, помещенный в движущуюся систему, например в нашем случае - в ракету, не обнаружит никаких аномалий: радиоактивное ядро, которое, как он знает, должно распадаться за одну миллионную секунды, будет распадаться ровно за это время, период осцилляций (период колебания световой волны, связанной с испусканием света различными атомами) световой волны данного сорта будет больше или меньше периода осцилляций света другого сорта ровно во столько же раз, что и на Земле, и т.д. Иными словами, с точки зрения наблюдателя, находящегося в ракете, течение времени ничем не отличается от течения времени на Земле. И только если мы отслеживаем процессы, происходящие внутри ракеты, используя часы, находящиеся на Земле, мы обнаруживаем, что интервалы времени между событиями, измеренные по часам на Земле, оказываются большими, чем интервалы между теми же событиями, измеренные по часам в ракете.

Как интерпретировать эту ситуацию? И тут мы должны признать, что никакого другого времени, кроме времени, измеренного по нашим "идеальным" часам, например радиоактивным или мазерным, просто не существует: время, измеренное нашими часами, и есть определение физического времени. Мы должны расстаться с интуитивным ощущением, что кроме наших часов существует еще какое-то другое время, как раз то, про которое обычно говорят: "Что бы мы ни делали, а время все равно идет". Никакого другого времени в физике не существует, а в действительности вообще не существует. Поэтому мы должны интерпретировать растяжение временных интервалов между двумя событиями в ракете, измеренных по часам на Земле, как замедление времени. Самого времени, а не каких-то событий.

Как расщепляют мгновение

В этом разделе я расскажу о быстропротекающих явлениях из самых разных областей физики. И причем не столько о самих явлениях, сколько о методах, с помощью которых в них можно вглядеться и их можно изучать.

Миллисекунды

Speed foto (71).jpg
Speed foto (111).jpg
Speed foto (73).jpg

Слишком много про миллисекунды рассказывать не буду только по той причине, что это очень близкий к нам временной диапазон. То есть то понятие мига, которое мы ощущаем, как раз соответствует десяткам миллисекунд, ну, может быть, сотням миллисекунд. Кроме того, это всё можно исследовать буквально дома, в домашней лаборатории, поскольку современная фотокамера позволяет выставлять выдержку и в миллисекунды, и даже в доли миллисекунды. Поэтому на нее можно запечатлеть процессы, которые не видны невооруженным глазом.

Мало кто знает, что невооруженный человеческий глаз обычно может заметить и изучить явления, длящиеся буквально единицы миллисекунд. Конечно, не каждое явление так можно увидеть, для этого требуются некоторые специальные условия, но в определенных условиях это действительно можно сделать. Для этого нужно сделать следующие вещи: нужно, чтобы явление, которое у вас происходит, было ярко освещено и чтобы оно происходило на темном фоне. И последнее условие - это не смотреть прямо на это явление, а мотнуть взглядом туда-сюда. И тогда - у вас на сетчатке получится некоторая развертка этого процесса во времени, и при определенном навыке можно действительно видеть события, протекающие в единицы миллисекунд.

В качестве самого простого примера, можно найти какой-нибудь светодиод и попробовать вот эту технику на нём: мотнуть взглядом туда-сюда и осознать, что у вас отпечаталось на сетчатке.

Микросекунды

Микросекунды — это довольно уже далеко отстоящий от обычной повседневной жизни диапазон времен, но, тем не менее, его можно наблюдать и с помощью обычных видеокамер. Конечно, они достаточно дорогие, это не те видеокамеры, которые продаются в магазинах. Эти видеокамеры, которые дают сотню тысяч кадров в секунду или даже миллионы кадров в секунду, стоят около миллиона долларов. Но иногда достаточно купить такую камеру, вложиться в нее, и потом уже можно делать высококлассные работы, настоящие исследовательские научные работы, которые публикуются в высокоимпактных журналах.

Здесь есть несколько тем, которые буквально сейчас активно исследуются учеными. Среди этих тем, наверное, стоит выделить одну: это поведение нестационарных течений со свободной поверхностью. То есть это не просто, движение воды по трубам, а поведение капелек, струек, как они распадаются на капли. Оказывается, здесь есть много нетривиальных вещей, которые до сих пор еще толком не изучены. Например, одна из них — это то, что происходит с перешейком. Оказывается, что непосредственно перед моментом отрыва капелька ведет себя «самоподобным» образом. То есть эта форма перешейка при приближении к точке отрыва остается постоянной, но только масштаб ее уменьшается. Даже если видна точечка, её можно увеличить и в таком случае можно увидеть ту же самую форму только на меньшем масштабе.

Микросекунды можно изучать в школьной лаборатории. Для этого не требуется покупать очень дорогую камеру. Можно воспользоваться обычным фотоаппаратом, только надо освещать предмет короткими микросекундными импульсами света, а получить их тоже не так уж сложно. Делается это довольно просто: берем лазерную указку, устанавливаем её на моторчик и раскручиваем в горизонтальной плоскости. Достаточно 100 оборотов в секунду. Получается лучик света, который гуляет по стенам с большой скоростью. Сдвигаем поодаль ширму и делаем в ней дырку по траектории луча. Когда луч «чиркает» по отверстию в соседнюю комнату проходит очень короткий импульс света. Далее снимаете в темной комнате на фотокамеру импульсы в считанные микросекунды. Все-таки Микросекунды — это более приземленное к нашей жизни.

Наносекунды

Пикосекунды

Фемтосекунды

Аттосекунды

Зептосекунды

Йоктосекунды

Практическая часть

Заключение

Источники