Что такое время простыми словами: как его измеряют и почему оно идёт вперёд

Что такое время

Время нельзя потрогать, и определить его сложно, зато понятно, что с ним делают. Мы замечаем, что одно событие случилось раньше другого и что одни процессы длятся дольше других. Чтобы сравнивать, берут явление, которое повторяется ровно, и считают повторы: маятник качнулся десять раз, песок пересыпался, Земля повернулась вокруг оси. Число таких повторов и называют временем.

У слова две стороны. Практическая: длительность и порядок событий, то, что показывают часы. Физическая: время как одна из основ мира, связанная с пространством. Читатель, который спрашивает «что такое время», обычно хочет знать обе. В школьной физике время — одна из основных величин: с ним считают скорость (путь делят на время), ускорение, частоту. Единица времени в международной системе — секунда, и из неё выводятся многие другие единицы. Без точного счёта времени не работают ни навигация, ни банковские переводы, ни сети связи: там события нужно расставлять по порядку с точностью до долей секунды. Начнём с того, как время считают.

Из чего складывается счёт времени

Любые часы устроены одинаково: есть процесс, который повторяется через равные промежутки, и есть счётчик повторов. Меняется только сам процесс.

Единица	На чём основана	Что считают
Сутки	оборот Земли вокруг оси	возвращение Солнца в высшую точку
Год	оборот Земли вокруг Солнца	смену времён года
Час и минута	деление суток на 24 и на 60	наследие древних систем счёта
Секунда	излучение атома цезия-133	9 192 631 770 периодов волны
Механические и кварцевые часы	качание маятника или дрожание кварцевой пластинки	колебания внутри прибора

Долго секундой считали 1/86 400 часть суток. Но Земля вращается неровно: приливы понемногу тормозят её, а перемещения воды и воздуха добавляют неравномерности. Сутки удлиняются примерно на пару тысячных секунды за столетие. Для точных измерений эта линейка «гнётся».

Поэтому в 1967 году секунду определили заново, через атомы. Атом цезия-133 при переходе между двумя энергетическими уровнями излучает волну со строго постоянной частотой. Секунда — это 9 192 631 770 периодов этой волны. Все атомы цезия одинаковы, где бы они ни были, поэтому такие часы не зависят ни от Земли, ни от погоды. Лучшие из них ошибаются на секунду за десятки миллионов лет. Об атомах, из которых всё построено, рассказано в статье о строении атома.

Из-за этого возник курьёз: земные сутки и «атомные» слегка расходятся. Чтобы гражданское время не отрывалось от Солнца, иногда в шкалу добавляют лишнюю, високосную секунду. Последний раз это делали в конце 2016 года.

Сутки: почему Земля делает оборот не за 24 часа

Хороший пример того, как «просто» превращается в «непросто». За 24 часа проходит промежуток между двумя полуднями, то есть солнечные сутки. Но пока Земля поворачивается на 360 градусов, она успевает сдвинуться по орбите вокруг Солнца, и ей нужно довернуться ещё на один градус, чтобы Солнце снова оказалось в той же точке неба. Поэтому оборот относительно далёких звёзд короче: около 23 часов 56 минут. Эти сутки называют звёздными.

Разница в четыре минуты за сутки накапливается: за год набегает ровно одни лишние сутки. Поэтому звёзды на небе в один и тот же час каждый вечер смещаются, и летнее небо не похоже на зимнее.

Ещё сложнее с самим годом. Он не равен целому числу суток: около 365,24. Лишняя четверть суток копится и требует поправок в календаре, о чём подробно написано в статье про 28 дней в феврале.

Как это работает: откуда берётся время на экране телефона

1. Хранители времени. В лабораториях разных стран работают десятки атомных часов. Их показания сверяют и усредняют.
2. Единая шкала. Из усреднённого сигнала получают всемирное координированное время, UTC: общий ноль для всей планеты.
3. Рассылка. Точное время идёт по радио, по интернету и со спутников навигации.
4. Часовой пояс. Телефон берёт UTC и прибавляет сдвиг вашего пояса. Для Москвы это три часа.
5. Показ. На экране обычная цифра, за которой стоит сравнение сотен часов.

Со спутниками связана самая необычная часть темы.

Что говорит физика: время не одинаково для всех

Долго считали, что время течёт одинаково везде и для всех. Альберт Эйнштейн в 1905 году показал, что это не так: ход времени зависит от скорости движения. Общая теория относительности, опубликованная в 1915 году, добавила, что он зависит и от тяжести.

• Движение замедляет часы. Чем быстрее часы движутся относительно наблюдателя, тем медленнее они идут. При обычных скоростях разница ничтожна. Но частицы, которые летят почти со скоростью света, «живут» заметно дольше, и это каждый день проверяют на ускорителях.
• Тяжесть замедляет часы. Чем ближе к массивному телу, тем медленнее время. Часы на вершине горы идут чуть быстрее, чем на берегу моря. Самые точные оптические часы замечают разницу на высоте в считанные сантиметры.

Оба вывода проверены опытом. В 1971 году американские физики Хафеле и Китинг возили атомные часы на пассажирских самолётах вокруг света и сравнили с часами, оставшимися на земле: расхождение совпало с расчётом. А в спутниках навигации часы идут чуть быстрее земных: слабая тяжесть на высоте перевешивает замедление от скорости, и в сумме выходит несколько десятков микросекунд в сутки. Если не вводить поправку, навигатор ошибался бы на километры уже за день.

Физики называют это пространством-временем: время не отдельный «фон», а свойство мира, связанное с расстояниями и массой. Как выглядят самые большие масштабы, где это важно, — в статье о строении Вселенной.

Почему время идёт только вперёд

В уравнениях большинства физических законов время можно «прокрутить» назад, и ничего не нарушится. А в жизни яйцо разбивается и обратно не собирается, чай остывает сам, а не нагревается.

Чаще всего это объясняют энтропией, мерой беспорядка. Второй закон термодинамики говорит, что в замкнутой системе беспорядок в среднем растёт. У целого яйца мало способов быть целым и очень много способов быть разбитым, поэтому переход идёт в одну сторону. Стрелку времени связывают с этим ростом. Но остаётся вопрос, почему Вселенная началась в таком упорядоченном состоянии. Это открытая проблема, и ответа на неё пока нет.

Чем отличается от похожего

Время и часы. Часы измеряют время, как линейка измеряет длину. Остановив часы, время не остановишь.

Время и календарь. Календарь — договорённость о том, как называть и группировать сутки. Почему в феврале мало дней, разобрано в статье о календаре.

Замедление времени и ощущение времени. Когда скучно, минута тянется, когда интересно, она пролетает. Это работа внимания и памяти, а приборы в это время идут ровно. Замедление в теории относительности — измеряемый физический эффект, к чувствам отношения не имеет.

Замедление времени и путешествие в прошлое. Замедлить ход часов относительно других можно. Вернуться в прошлое никто не наблюдал, и проверенного способа нет.

Интересные факты

Почему секунда называется секундой. Слово пришло из латыни. Час делили на 60 «первых малых частей» — минуты, а минуту снова на 60 «вторых малых частей». Отсюда «секунда», то есть «вторая».

Почему 24 и 60. Египтяне делили светлое и тёмное время суток на двенадцать частей, а вавилоняне считали шестидесятками. Число 60 удобно: оно делится на 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20 и 30, поэтому час легко делить на равные части.

Как ответить на вопрос «что такое время»

Ответ в три шага:

1. Время — способ сравнивать длительность и порядок событий; его измеряют по повторяющимся процессам.
2. Сегодня секунда определена по излучению атома цезия-133, а не по вращению Земли.
3. По теории относительности ход часов зависит от скорости и тяжести, это проверено опытами; почему время идёт только вперёд, до конца не выяснено.