Основы измерения времени

Прежде чем приступить к рассмотрению основ измерения времени, необходимо понять, что же это такое, время?

По современным представлениям, время — это условная мера движения материи, а также одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел.

С точки зрения философии — это необратимое течение, протекающее в направлении из прошлого в будущее, внутри которого происходят все существующие в бытии процессы, являющиеся фактами. Время циклично и представляет собой неизменное повторение уже бывшего. Прошлое служит образцом для настоящего. Будущее является повторением настоящего.

В классической физике, время является непрерывной величиной, априорной характеристикой мира, которая ничем не определяемая. В качестве основы измерения времени положены периодические, т.е. повторяющиеся с равной частотой циклические процессы. Время существует отдельно от пространства и всех материальных объектов в мире.

Если же рассматривать время в рамках специальной теории относительности (иногда называется просто "релятивистской физикой"), то оно рассматривается как часть единого пространства-времени, и, значит, может меняться при его преобразованиях. «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.

В рамках релятивистской физики постулируются два основных положения:

1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

2. Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Современная наука распределяет большинство известных представлений о времени в две принципиально разные концепции — относительную и вещественную (реляционную и субстанциональную).

Согласно реляционной (относительной) концепции в природе нет никакого времени самого по себе, время — всего лишь отношение или система отношений между физическими событиями, иначе говоря, время есть специфическое проявление свойств физических тел и происходящих с ними изменений. Т.е. не время движется относительно наблюдателя, а наблюдатель движется относительно неизменяемой, статичной многомерной мультивселенной — «пространства вариантов». Согласно Вадиму Зелингу, изменения окружающей среды создают у движущегося наблюдателя субъективную иллюзию течения времени. Подобная идея многовариантного мира получила название «трансерфинг реальности» и соответствует идеям «теории Эверетта», в которой американский теоретик квантовой физики Хью Эверетт предполагает бесконечность одновременно существующих вариантов видимого нами мира.

Субстанциональная (вещественная) концепция — наоборот, предполагает, что время представляет собой самостоятельное явление природы, как бы особого рода субстанцию, существующую наряду с пространством, веществом и физическими полями. Категории пространства и времени выступают как «метод» и число движения, то есть как последовательность реальных и мысленных событий и состояний, а значит органически связаны с принципом развития. Реляционная концепция времени обычно связывается с именами Аристотеля, Г.В. Лейбница, А. Эйнштейна. Наиболее яркими выразителями субстанциональной концепции времени являются Демокрит, И. Ньютон, из современных ученых — Н.А. Козырев, А.И. Вейник.

В количественном (метрологическом) смысле понятие время имеет два аспекта:

координаты события на временной оси. На практике это текущее время: календарное, определяемое правилами календаря, и время суток, определяемое какой-либо системой счисления (шкалой) времени (примеры: местное время, всемирное координированное время);

относительное время, временной интервал между двумя событиями.

Измерения времени основаны на наблюдениях суточного вращения небесного свода, к которому приводит вращении Земли вокруг своей оси, годичного движения Солнца, в результате обращения Земли вокруг него, а также смен фаз Луны, вызванных обращением этого спутника вокруг нашей планеты.

Вращение Земли вокруг оси происходит почти равномерно, с периодом, равным периоду вращения небесного свода, который достаточно точно может быть определен из наблюдений. Именно поэтому сутки издавна являются основной единицей для измерения временных промежутков.

За начальное положение Земли принимается момент прохождения плоскости земного меридиана места наблюдения через избранную точку на небе, или, что одно и то же, момент верхней (или нижней) кульминации этой точки на данном меридиане. Продолжительность суток зависит от избранной точки на небе. В астрономии за такие точки принимаются: а) точка весеннего равноденствия; б) центр видимого диска Солнца (истинное Солнце); в) «среднее солнце» — фиктивная точка, положение которой на небе может быть вычислено теоретически для любого момента времени.

Определяемые этими точками три различные единицы времени называются соответственно звездными, истинными солнечными и средними солнечными сутками, а время, ими измеряемое,— звездным, истинным солнечным и средним солнечным временем.

Сутки делятся на меньшие временные промежутки: часы, минуты и секунды. Их происхождение, вероятно, связано с двенадцатеричной системой счисления, впервые возникшей в Древнем Шумере. Сутки делили на два равных последовательных интервала (условно день и ночь). Каждый из них делили на 12 часов. Дальнейшее деление часа восходит к шестидесятеричной системе счисления. Каждый час делился на 60 минут, а каждая минута — на 60 секунд.

Точка на оси времени в пределах конкретно взятых календарных суток обозначается указанием целого количества часов, которые прошли с начала суток; затем целого количества минут, которые прошли с начала текущего часа; затем целого количества секунд, которые прошли с начала текущей минуты; при необходимости ещё точнее указать временную позицию далее используют десятичную систему, указывая десятичной дробью прошедшую долю текущей секунды (обычно до сотых или до тысячных).

В настоящее время в мире широко распространены две системы указания времени суток.

В так называемой французской системе не учитывается разделение суток на два интервала по 12 часов (день и ночь), а считается, что сутки напрямую делятся на 24 часа. Номер часа может быть от 0 до 23 включительно. В английской системе это разделение учитывается. Часы указывают с момента начала текущих полусуток, а после цифр пишут буквенный индекс половины суток. Первую половину суток (ночь, утро) обозначают AM, вторую (день, вечер) —PM от лат. Ante Meridiem/Post Meridiem (до полудня/после полудня). Номер часа в 12 часовых системах в разных традициях записывается по разному: от 0 до 11 либо 12, 1, 2, ..., 11. Поскольку все три временные субкоординаты не превосходят ста, для записи их в десятичной системе достаточно двух цифр; поэтому значения часов, минут и секунд пишут двузначным десятичным числом, добавляя ноль перед числом, если это необходимо (в английской системе, впрочем, номер часа пишут одно- или двузначным десятичным числом).
За начало отсчёта времени принята полночь. Таким образом, полночь во французской системе — это 00:00:00, а в английской — 12:00:00 AM. Полдень — 12:00:00 (12:00:00 PM). Момент времени по прошествии 19 часов и ещё 14 минут с полуночи — 19:14 (в английской системе 7:14 PM).

Несмотря на то, что сутки являются основной единицей измерения времени, их продолжительность не постоянна. Под действием Луны и Солнца она увеличивается на 0,0014 секунды за столетие. Поэтому в настоящее время секундой считается не промежуток времени в 1/60 минуты, а интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного квантового состояния атома цезия-133 в покое при 0 К. Это так называемая атомная секунда или секунда СИ, определение которое было принято в 1967 году (уточнение относительно температуры и состояния покоя появилось в 1997 году).

В астрономии и в ряде других областей наряду с секундой СИ применяется эфемеридная секунда, определение которой основано на астрономических наблюдениях. Считая, что в тропическом году 365,242 198 781 25 суток, а сутки полагая постоянной длительности (т. н. эфемеридное исчисление), получают, что в году 31 556 925,9747 секунд. Тогда полагают, что секунда — это 1/31 556 925,9747 часть тропического года. Вековое изменение продолжительности тропического года заставляет привязывать это определение к определённой эпохе; так, данное определение относится к тропическому году в момент 1900,0.

Для измерения более длинных промежутков времени служит другая единица меры, основанная на движении Земли вокруг Солнца,— год. Так как период обращения Земли не равен точно целому числу суток, для более точной синхронизации календаря с движением Земли используются високосные года, продолжительностью 366 дней. Год делится на двенадцать месяцев разной продолжительности, которые лишь очень примерно соответствуют длительности лунного месяца, который равняется периоду полной смены фаз Луны (29,53 средних солнечных суток).

В исламском календаре основой является лунный синодический месяц, а год содержит около 354 дней, что на 11 дней меньше солнечного года.

Месяцы включают недели, которые состоят из 7 дней, что делает неделю самой большой общепринятой единицей времени, содержащей точное количество дней.