物理学における時間とは - わかりやすく解説 Weblio辞書 (original) (raw)
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パリ・パンテオンのフーコーの振り子。地球の回転を実証するだけでなく、時間を測定することもできる。
**物理学における時間**は、その測定(英語版)によって定義される。すなわち、時間は時計によって読み取られるものである[1]。
古典的な非相対論的物理学では、時間はスカラー量であり、長さ、質量、電荷のように、通常は基本量として記述される。時間は他の物理量と数学的に組み合わせて、運動、運動エネルギー、時間依存の場などの他の概念を導出することができる。計時は、技術的および科学的な問題の複合であり、記録管理の基礎の一部である。
時間の記録
時計ができるより以前、文明の各時代において、当時理解できる物理的プロセス[2]によって時間が測定された[3]。
- 毎年ナイル川の洪水(英語版)を記録するために、シリウスの最初の出現(ヒライアカル・ライジングを参照)を利用した[3]。
- 永遠に続くように見える、夜と昼の周期の連続[4]
- 夜明けの太陽の最初の出現の地平線上の位置[5]
- 空における太陽の位置[6]
- 昼間の正午の瞬間の記録[7]
- 日時計のグノモンによる影の長さ[8]
最終的に[9][10]、操作的定義(英語版)を使用して、計器で時間の経過を特徴付けることが可能になった。同時に、時間の概念は、次節以降のように進化した[11]。
時間の計測単位: 秒
国際単位系 (SI) では、時間の単位は秒(記号: s)である。これはSI基本単位の一つであり、現在は「セシウム133原子の基底状態の2つの超微細構造準位の間の遷移に対応する放射の周期の9 192 631 770倍の継続時間」と定義されている[12]。この定義は、セシウム原子時計の動作に基づいている。
計時技術の最前線
前提知識 |
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計測 指数表記 自然単位系 |
世界中で使用されている協定世界時 (UTC) は、原子時計の標準に基づいている。原子時計による時間基準の相対的な精度は、現在、10−15[13](約3,000万年に1秒に相当)程度である。観測可能と見なされる最小の時間間隔はプランク時間と呼ばれる。それは約5.391×10−44秒であり、現在の時間基準の分解能よりも数桁小さい。
時間の概念
→詳細は「時間」を参照
アンドロメダ銀河 (M31) は地球から200万光年離れている。すなわち、我々は200万年前のM31の光を見ている[14]。これは、地球上に人類が生まれるより前である。
ガリレオやニュートンを含む20世紀までの大部分の人々は、時間は全ての人にとって同じであると考えていた。これは、時間をパラメータとするタイムライン(時間線)の基礎である。現代の時間観は、アインシュタインの相対性理論に基づいている。アインシュタインの相対性理論では、時間の進み方は相対的な動きに応じて異なっており、時間と空間は時空に統合されている。我々は、時間線ではなく世界線の上で生活している。この視点では、時間は座標である。支配的な宇宙論のモデルであるビッグバン理論によると、時間自体は約138億年前に宇宙全体の一部として始まった。
自然の中の規則
時間を測定するために、何らかの周期的現象の発生(事象)の数を記録することができる。物理法則が定式化される以前、季節の定期的な訪れや、太陽・月・星の動きが記録され、数千年にわたって表にされてきた。 太陽は時間の流れの調停者だったが、時間は何千年もの間時間 (hour) の単位でしか計測されなかった。それゆえ、グノモンの使用は世界のほとんど、特にユーラシア、そして少なくとも東南アジアのジャングルの南の部分でさえも知られていた[15]。
特に、宗教的目的のために維持された天文台は、星の規則的な動き、さらにはいくつかの惑星を確認するのに十分なほど正確になった。
計時は、最初は司祭が手で行い、後に商業のために時計職人が職務の一部として時間を記録した。分点の表、砂時計、水時計はますます正確になり、最終的には信頼性が高まった。海上の船においては、船員は砂時計(英語版)を回して時間を計測した。
機械式時計
聖オルバン修道院(英語版)の修道院長であるウォリングフォードのリチャード(英語版)(1292年-1336年)は、1330年頃に天文学の太陽系儀として機械式時計を作ったことで有名である[16][17]。
ウォリングフォードのリチャードの時代には、ラチェットと歯車を使用することで、ヨーロッパのそれぞれの町の時計に時間を表示する仕組みを作ることが可能になっていた。科学革命の時代になると、時計は家庭が個人用の時計や懐中時計を所有するのに十分に小型化された。最初は、王族たちだけがそれを買う余裕があった。振り子時計は、18世紀から19世紀にかけて広く使われた。 それらは、クォーツ時計やデジタル時計が一般に使用されるようになって置き換えられた。原子時計は理論的に何百万年もの正確な時間を保つことができ、標準と科学的使用に適している。
ガリレオ: 時間の流れ
1583年、ガリレオ・ガリレイ(1564年-1642年)は、ピサ大聖堂でのミサのとき、揺れるランプの動きを自分の脈拍で計時することで、振り子の振動に一定の周期があることを発見した[18]。
『新科学対話』(1638年)では、ガリレオは、青銅製の球が斜面の既知の距離を横切るのにかかる時間を測定するのに水時計を使用した。この水時計は、以下のようなものであった。
「高い位置に置かれた大きな水槽の底部に細い管が取り付けられ、そこから水が少しずつ出るようになっている。その流路の全部もしくは一部について、その水を各降下の時間の間に小さな器で集める。各降下の時間に集めた水を、非常に正確な天秤で計量する。水の重量の比率や違いにより、時間の比率や違いを知ることができる。その操作を何度も何度も繰り返したが、結果には大きな違いはなかった[19]。
球の動きを記述するために、文字通りの「時間の流れ」を測定するためのガリレオの実験的機構は、ニュートンの『自然哲学の数学的諸原理』(プリンキピア)での以下の声明に先に立つものであった。
「私は、時間・空間・場所・動きを定義しない。これらは全ての人によく知られている。」[20]
ニュートンの物理学: 線形時間
アイザック・ニュートン(1643年-1727年)が重力の下で落下する物体の動きを導いた1665年頃、数理物理学の最初の明確な定式化が始まった。そこでは、線形時間は「普遍的な時計」として考えられた。
「絶対的な、真の、そして数学的な時間は、それ自体、そしてそれ自身の性質から、外部のものに関係なく等しく流れる。そして別の名前では持続時間 (duration) と呼ばれる。相対的な、明白な、そして共通の時間は、実際の時間の代わりに一般的に使用される動きの手段による持続時間のいくつかの知覚可能で外部的な(正確か不平等の)尺度である。例えば、時間、日、月、年などである。[21]
ガリレオが説明した水時計機構は、実験中に水の層流を提供するように設計されており、実験期間中一定の水流を提供し、ニュートンが持続時間と呼んだものを具体化している。
この節では、以下に列挙する関係は、考慮している物理システムの挙動の指標となるパラメータとして、時間を扱う。ニュートンの変量(英語版) (fluent) は「時間の線形流れ」(彼はこれを「数学的時間」と呼んでいる)を扱うので、時間は線形に変化するパラメータであると考えられる。これは、時計に直面したときの時間の経過を抽象化したものである。カレンダーや航海日誌は、時、日、月、年、世紀の経過にマッピングできる。
前提知識 |
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微分方程式 偏微分方程式 |
熱力学と不可逆性のパラドックス
1798年までに、ベンジャミン・トンプソン(1753年-1814年)は、仕事が限界なしに熱に変わる可能性があることを発見した。これは、エネルギー保存の法則(熱力学第一法則)の先駆けとなるものであった。
1824年、サディ・カルノー(1796年-1832年)は、抽象的なエンジンであるカルノーサイクルで蒸気機関を科学的に分析した。ルドルフ・クラウジウス(1822年-1888年)は熱力学第二法則で、カルノーエンジンが利用できる自由エネルギーの絶えず減少する量に影響を及ぼす障害の尺度・エントロピーを指摘した。
したがって、任意の所与の温度において、より小さなエントロピーからより大きなエントロピーへの熱力学的系の継続的な経過は、時間の矢を規定する。スティーブン・ホーキングは、以下の3つの時間の矢を特定している[22]
- 心理的な時間の矢 - 不可解な流れの我々の認識
- 熱力学的な時間の矢 - エントロピーの増大によって区別される
- 宇宙論の時間の矢 - 宇宙の拡大によって区別される
エントロピーは孤立した熱力学系において最大であり、増加する。対照的に、エルヴィン・シュレーディンガー(1887年-1961年)は、生命は「負のエントロピーの流れ」に依存すると指摘した[23]。イリヤ・プリゴジン(1917年-2003年)は、生命と同様に平衡から遠い他の熱力学系も、安定した時空構造を示すことができると述べた。 その後すぐに、化学溶液中で振動する色を示すベロウソフ・ジャボチンスキー反応[24]が報告された[25]。これらの非平衡熱力学的分枝は不安定な分岐点に達し、別の熱力学的分枝はその代わりに安定する[26]。
電磁気学と光速度
1864年、ジェームズ・クラーク・マクスウェル(1831年-1879年)は、電気と磁気の複合的な理論を提示した。彼は、これらの2つの現象に関連して知られている全ての法則を4つの方程式にまとめた。これらのナブラ演算子( ∇ {\displaystyle \nabla }
事象Bは、緑色の基準系では事象Aと同時に発生するが、青い系では事象Aの前に発生し、赤い系では事象Aの後に発生する。
より具体的には、ローレンツ変換は、4次元のミンコフスキー空間の座標の変化である双曲回転 ( c t ′ x ′ ) = ( cosh ϕ − sinh ϕ − sinh ϕ cosh ϕ ) ( c t x ) where ϕ = artanh v c {\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}}}
加速された質量粒子の世界線の発展。この世界線は、この時空図の時間的(timelike)に上部と下部に制限されている。この世界線は、上部(未来)または下部(過去)の光円錐を横切ることはできない。 左右のセクション(光円錐の外側にある)は空間的(spacelike)である。
我々は観測者として、「過去」の光円錐の中にいる相手や場所から信号を受信することができる。 しかし、「過去」の光円錐以外の相手や場所からの信号を受信することはできない。
電磁波の方程式の定式化によって、電気通信の分野が創設された。19世紀の電信では、いくつかの大陸と海域に渡る電気回路により、単純な短点、長点、スペースなどによる符号を送信することができた。このことから、一連の技術的問題が浮上してきた(Category:同期を参照)。しかし、我々の信号システムは、ジッターを除去する必要がある準同期(英語版)の状態に限り、ほぼ同期することができる。
つまり、システムはGPSのような技術を使って(工学的な近似で)同期させることができる。GPS衛星は、重力波や他の相対論的要因が回路に与える影響を考慮する必要がある(自己クロック信号(英語版)も参照)。
計時標準の技術
現在の米国の主要な計時標準は、レーザー冷却セシウム原子泉であるNIST-F1(英語版)であり[33]、最新の時間と周波数の標準である。過去には、アンモニアによる原子時計(1949年)、セシウムによるNBS-1(1952年)・NIST-7(1993年)が使われていた。それらの時計の不確かさは、5年間で10,000ナノ秒/日から0.5ナノ秒/日に減少した[34]。2001年現在、NIST-F1の不確かさは0.1ナノ秒/日である。より正確な周波数標準の開発が進められている。
この時間・周波数標準では、セシウム原子の集団は1マイクロケルビンの温度にレーザ冷却される。原子は、6つのレーザー(各空間次元ごとに2つずつ、垂直(上下)・水平(左右)・前後)によって球状に集められる。垂直のレーザは、セシウムの球をマイクロ波空洞に押し込む。球が冷却されると、セシウムの集団はその基底状態まで冷却され、上記の「秒」の定義に記載されている固有周波数で光を発する。セシウムの集団からの放射には、11の物理的影響が考慮され、NIST-F1の時計で制御される。これらの結果はBIPMに報告される。
さらに、参照水素メーザーは国際原子時 (TAI) の周波数標準としてBIPMに報告されている。
時間の測定は、フランス・セーヴルにある国際度量衡局 (BIPM) によって監督され、測定の均一性と国際単位系 (SI) へのトレーサビリティを保証する。BIPMは、各国の計量研究所で構成される一連の諮問委員会を通じて、メートル条約の権限の下で活動している。
宇宙論における時間
一般相対性理論の方程式は非定常的な宇宙を予測する。しかし、アインシュタインは定常的な宇宙しか受け入れられず、これを反映するように、アインシュタイン方程式に宇宙定数を加える修正を行った。しかし、1927年、ジョルジュ・ルメートル(1894-1966年)は、一般相対性理論に基づいて、宇宙は原始的な爆発に由来すると主張した。その年の第5回ソルベー会議で、アインシュタインは"Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable."[35](あなたの数学は正しいが、あなたの物理は嫌なものだ)と述べてルメートルの主張を拒絶した。1929年、エドウィン・ハッブル(1889-1953年)は膨張する宇宙(英語版)の発見を発表した。現在一般に受け入れられている宇宙論モデルであるΛ-CDMモデルによれば、宇宙定数は正であり、従って宇宙は単に膨張しているだけでなく、膨張自体が加速している。
もし宇宙が膨張していたならば、過去の宇宙は現在よりもはるかに小さく、ゆえに宇宙は今より熱くて濃い状態になっていたはずである。ジョージ・ガモフ(1904-1968年)は、元素の周期表において元素が豊富であることは、高密度の宇宙での核反応によって説明がつくという仮説を立てた。この主張はフレッド・ホイル(1915-2001年)に批判され、ホイルはこれを否定するためにビッグバンという言葉を作った。エンリコ・フェルミらは、この過程は軽い元素のみが生成された後に停止してしまい、より重い元素の存在が説明できないと指摘した。
WMAPで得られた宇宙マイクロ波背景放射の変動の画像[36]
ガモフは、宇宙が膨張中に冷却された後、宇宙に5-10ケルビンの黒体放射が残ると予測した。これは後の1965年にペンジアスとウィルソンによって示された。その後の実験で、宇宙は2.7ケルビンの温度に達していて、それに相当するビッグバン後の宇宙の年齢は138億年であるとわかった。
この劇的な結果によって、新たな問題が生じた。ビッグバンの特異性とプランク時間(観察可能な最小の時間)との間に何が起こったかについてである。いつ時空泡(英語版)から時間が分離されたのかについては、対称性の破れに基づくヒントしかない(自発的対称性の破れ、宇宙の年表#最初期宇宙およびCategory:宇宙論の各項目を参照)。
一般相対性理論は、ビッグバンで始まった膨張する宇宙の現代的な概念をもたらした。相対性理論と量子論を用いて、私たちは宇宙の歴史を大まかに再構成することができた。現在では、電磁波が導体や電荷によって妨害されることなく伝播することができる。そして、夜空で我々から遠い距離にある星を見ることができる(大昔、ビッグバンから30万年後までは星空が見えなかった)。
再現
イリヤ・プリゴジンの再現は、「存在に先行する時間」である。(上記で議論したような)ニュートン、アインシュタイン、量子物理学が提供する時間の対称的な視点とは対照的に、プリゴジンは、統計的および熱力学的物理学は、時間の矢とビッグバンだけでなく不可逆的な現象も説明することができると指摘する[37]。
脚注
- ^ Considine, Douglas M.; Considine, Glenn D. (1985). Process instruments and controls handbook (3 ed.). McGraw-Hill. pp. 18–61. ISBN 0-07-012436-1. https://books.google.com/books?id=kt1UAAAAMAAJ
- ^ 例えば、ガリレオ・ガリレイは自由振動の周期を自分の脈拍で測定した。
- ^ a b オットー・ノイゲバウアー The Exact Sciences in Antiquity. Princeton: Princeton University Press, 1952; 2nd edition, Brown University Press, 1957; reprint, New York: Dover publications, 1969. Page 82.
- ^ 例えばウィリアム・シェークスピアの『ハムレット』に、次のような一節がある。" ... to thine own self be true, And it must follow, as the night the day, Thou canst not then be false to any man."
- ^ “Heliacal/Dawn Risings”. Solar-center.stanford.edu. 2012年8月17日閲覧。
- ^ Farmers have used the sun to mark time for thousands of years, as the most ancient method of telling time.
- ^ エラトステネスは地球の大きさの測定にこの基準を使用した
- ^ フレッド・ホイル (1962), Astronomy: A history of man's investigation of the universe, Crescent Books, Inc., London LC 62-14108, p.31
- ^ メソポタミア(現代のイラク)天文学者は3500年以上前に肉眼で天文観測を記録した。パーシー・ブリッジマンは、20世紀に操作的定義を定義した。
- ^ 肉眼#天文学として#肉眼による天体観測は、1609年にガリレオの望遠鏡による観測で廃止された。 Galileo Galilei Linceo, Sidereus Nuncius (星界の報告) 1610.
- ^ http://tycho.usno.navy.mil/gpstt.html http://www.phys.lsu.edu/mog/mog9/node9.html Today, automated astronomical observations from satellites and spacecraft require relativistic corrections of the reported positions.
- ^ “Unit of time (second)”. SI brochure. 国際度量衡局 (BIPM). pp. Section 2.1.1.3. 2008年6月8日閲覧。
- ^ S. R. Jefferts et al., "Accuracy evaluation of NIST-F1".
- ^ Fred Adams and Greg Laughlin (1999), Five Ages of the Universe ISBN 0-684-86576-9 p.35.
- ^ Charles Hose and William McDougall (1912) The Pagan Tribes of Borneo, Plate 60. Kenyahs measuring the Length of the Shadow at Noon to determine the Time for sowing PADI p. 108. This photograph is reproduced as plate B in Fred Hoyle (1962), Astronomy: A history of man's investigation of the universe, Crescent Books, Inc., London LC 62-14108, p.31. The measurement process is explained by: Gene Ammarell (1997), "Astronomy in the Indo-Malay Archipelago", p.119, Encyclopaedia of the history of science, technology, and medicine in non-western cultures, Helaine Selin, ed., which describes Kenyah Tribesmen of Borneo measuring the shadow cast by a gnomon, or tukar do with a measuring scale, or aso do.
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関連項目
表話編歴時間 | |
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主要概念 | 過去 現在 未来 未来学 永遠 |
単位と規格 | クロノメトリー(英語版) UTC UT TAI ΔT 時間の単位 秒 分 時 日 週 月 年 十年紀 世紀 ミレニアム 太陽年 恒星年 単位系 標準時 午前と午後 24時制 夏時間 太陽時 恒星時 時刻系 地球時 メートル時間 十進化時間 十六進化時間 暦 グレゴリオ暦 ユリウス暦 ユダヤ暦 ヒジュラ暦 太陰暦 太陰太陽暦 ヒジュラ太陽暦 マヤ暦 閏 閏秒 閏年 |
時計 | 時計学 時計の歴史 分類原子時計 クロノメーター 日時計 天文時計 腕時計 水時計 |
編年 ・ 歴史 | 天文年代学 ビッグヒストリー 紀年法 年代記 地質学的時間(英語版) 時代区分 元号 即位紀元 年表 |
宗教 ・ 神話 | ドリームタイム カーラ(英語版) カーラチャクラ 預言 時と運命の神(英語版) 時の車輪(英語版) 不老不死 永遠の若さ |
哲学 | A系列とB系列(英語版) 時間のB理論(英語版) 因果性 持続 全体主義(英語版) 永劫回帰 永遠主義(英語版) 出来事(英語版) 部分主義(英語版) 現在主義(英語版) 時間的有限論(英語版) 時間的部分(英語版) 時間の非実在証明(英語版) |
人間の経験と時間の利用 | 会計期間 時間学(英語版) 会計年度 世代時間(英語版) 心的時間測定(英語版) 先延ばし 時間厳守 時制データベース(英語版) 期間 時間規律(英語版) 時間管理 時間知覚 見かけの現在(英語版) 時間記録ソフトウェア(英語版) 生活時間統計(英語版) 時間通貨(英語版) お金の時間的価値(英語版) タイムレコーダー 勤務時間表(英語版) 昨日 |
分野別の時間 | 地質学 地質時代 年代帯(英語版) 累代 代 紀 世 期 絶対年代 地史 物理学 絶対時間と絶対空間 時間の矢 クローノン 座標時 虚時間 プランク時代 プランク時間 固有時 割合 時空 相対性理論 時間の遅れ 重力による 時間領域 時間反転対称性 その他の分野 時間生物学 概日リズム 考古学における年代測定(英語版) 時間地理学 |
関連項目 | その日を摘め クロックポジション 空間 システム時刻 時は飛ぶ 時は金なり タイムカプセル 時間複雑度(英語版) 拍子記号 タイムトラベル |
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