El tiempo en física se define por su medida : el tiempo es lo que lee un reloj. En la física clásica no relativista, es una cantidad escalar (a menudo denotada por el símbolo) y, al igual que la longitud, la masa y la carga, generalmente se describe como una cantidad fundamental. El tiempo se puede combinar matemáticamente con otras cantidades físicas para derivar otros conceptos como movimiento, energía cinética y campos dependientes del tiempo. El cronometraje es un complejo de cuestiones tecnológicas y científicas, y parte de la base del mantenimiento de registros.
Contenido
1 Marcadores de tiempo
2 La unidad de medida del tiempo: el segundo
2.1 El estado del arte en cronometraje
3 conceptos de tiempo
3.1 Regularidades en la naturaleza
3.1.1 Relojes mecánicos
3.2 Galileo: el fluir del tiempo
3.3 Física de Newton: tiempo lineal
3.4 Termodinámica y la paradoja de la irreversibilidad
Finalmente, fue posible caracterizar el paso del tiempo con instrumentación, utilizando definiciones operativas. Simultáneamente, nuestra concepción del tiempo ha evolucionado, como se muestra a continuación.
La unidad de medida del tiempo: el segundo
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de tiempo es la segunda (símbolo:). Es una unidad base del SI, y se ha definido desde 1967 como "la duración de 9.192.631.770 [ciclos] de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133". Esta definición se basa en el funcionamiento de un reloj atómico de cesio. Estos relojes se volvieron prácticos para su uso como patrones de referencia primarios después de aproximadamente 1955, y se han utilizado desde entonces.
La marca de tiempoUTC que se utiliza en todo el mundo es un estándar de hora atómica. La precisión relativa de tal estándar de tiempo es actualmente del orden de 10-15 (correspondiente a 1 segundo en aproximadamente 30 millones de años). El paso de tiempo más pequeño considerado teóricamente observable se llama tiempo de Planck, que es aproximadamente 5.391 × 10 −44 segundos, muchos órdenes de magnitud por debajo de la resolución de los estándares de tiempo actual.
El reloj atómico de cesio se volvió práctico después de 1950, cuando los avances en la electrónica permitieron una medición confiable de las frecuencias de microondas que genera. A medida que se produjeron más avances, la investigación del reloj atómico ha progresado a frecuencias cada vez más altas, lo que puede proporcionar una mayor precisión y una mayor precisión. Se han desarrollado relojes basados en estas técnicas, pero aún no se utilizan como patrones de referencia primarios.
Concepciones de tiempo
Artículo principal: Tiempo La galaxia de Andrómeda ( M31 ) está a dos millones de años luz de distancia. Por lo tanto, estamos viendo la luz de M31 de hace dos millones de años, una época antes de que los humanos existieran en la Tierra.
Galileo, Newton y la mayoría de las personas hasta el siglo XX pensaban que el tiempo era el mismo para todos en todas partes. Esta es la base de las líneas de tiempo, donde el tiempo es un parámetro. La comprensión moderna de tiempo se basa en Einstein 's teoría de la relatividad, en el que las tasas de tiempo de ejecución de forma diferente dependiendo de movimiento relativo, y el espacio y el tiempo se fusionan en el espacio-tiempo, en el que vivimos en una línea del mundo en lugar de una línea de tiempo. En esta vista, el tiempo es una coordenada. Según el modelocosmológico predominante de la teoría del Big Bang, el tiempo mismo comenzó como parte de todo el Universo hace unos 13.800 millones de años.
Para medir el tiempo, se puede registrar el número de ocurrencias (eventos) de algún fenómenoperiódico. Las recurrencias regulares de las estaciones, los movimientos del sol, la luna y las estrellas se anotaron y tabularon durante milenios, antes de que se formularan las leyes de la física. El sol era el árbitro del flujo del tiempo, pero el tiempo se conocía solo por la hora durante milenios, por lo tanto, el uso del gnomon se conocía en la mayor parte del mundo, especialmente en Eurasia, y al menos tan al sur como las selvas de Sudeste de Asia.
En particular, los observatorios astronómicos mantenidos con fines religiosos se volvieron lo suficientemente precisos como para determinar los movimientos regulares de las estrellas e incluso algunos de los planetas.
Al principio, los sacerdotes realizaban el cronometraje a mano, y luego para el comercio, y los vigilantes anotaban el tiempo como parte de sus deberes. La tabulación de los equinoccios, el reloj de arena y el reloj de agua se volvieron cada vez más precisos y finalmente fiables. Para los barcos en el mar, se usaba a los niños para girar los relojes de arena y llamar las horas.
En la época de Ricardo de Wallingford, el uso de trinquetes y engranajes permitió a las ciudades de Europa crear mecanismos para mostrar la hora en sus respectivos relojes de la ciudad; en el momento de la revolución científica, los relojes se miniaturizaron lo suficiente como para que las familias pudieran compartir un reloj personal, o quizás un reloj de bolsillo. Al principio, solo los reyes podían permitírselo. Los relojes de péndulo se utilizaron ampliamente en los siglos XVIII y XIX. En general, han sido reemplazados en gran medida por relojes decuarzo y digitales. En teoría, los relojes atómicos pueden mantener la hora exacta durante millones de años. Son apropiados para estándares y uso científico.
"Una vasija de agua grande colocada en una posición elevada; al fondo de esta vasija se soldó una tubería de pequeño diámetro dando un fino chorro de agua, que recogimos en un vaso pequeño durante el tiempo de cada descenso, ya sea para todo el longitud del cauce o parte de su longitud; el agua así recolectada se pesó, después de cada descenso, en una balanza muy precisa; las diferencias y proporciones de estos pesos nos dieron las diferencias y proporciones de los tiempos, y esto con tal Precisión que aunque la operación se repitió muchas, muchas veces, no hubo discrepancias apreciables en los resultados ".
La configuración experimental de Galileo para medir el flujo literal del tiempo, con el fin de describir el movimiento de una pelota, precedió a la declaración de Isaac Newton en sus Principia :
Alrededor de 1665, cuando Isaac Newton (1643-1727) derivó el movimiento de los objetos que caen bajo la gravedad, comenzó la primera formulación clara para la física matemática de un tratamiento del tiempo: el tiempo lineal, concebido como un reloj universal.
El tiempo absoluto, verdadero y matemático, por sí mismo y de su propia naturaleza fluye equitativamente sin tener en cuenta nada externo, y con otro nombre se le llama duración: tiempo relativo, aparente y común, es algo sensible y externo (ya sea exacto o desigual) medida de la duración por medio del movimiento, que se usa comúnmente en lugar del tiempo real; como una hora, un día, un mes, un año.
El mecanismo del reloj de agua descrito por Galileo fue diseñado para proporcionar un flujo laminar de agua durante los experimentos, proporcionando así un flujo constante de agua durante la duración de los experimentos y encarnando lo que Newton llamó duración.
En esta sección, las relaciones enumeradas a continuación tratan el tiempo como un parámetro que sirve como índice del comportamiento del sistema físico en consideración. Debido a que los fluidos de Newton tratan un flujo lineal de tiempo (lo que él llamó tiempo matemático), el tiempo podría considerarse un parámetro que varía linealmente, una abstracción de la marcha de las horas en la esfera de un reloj. Los calendarios y los registros de los barcos se podrían asignar a la marcha de las horas, los días, los meses, los años y los siglos.
En 1798, Benjamin Thompson (1753-1814) había descubierto que el trabajo podía transformarse en calor sin límites, un precursor de la conservación de la energía o
En 1824, Sadi Carnot (1796-1832) analizó científicamente la máquina de vapor con su ciclo Carnot, una máquina abstracta. Rudolf Clausius (1822-1888) notó una medida de desorden, o entropía, que afecta la cantidad continuamente decreciente de energía libre disponible para un motor Carnot en:
Así, la marcha continua de un sistema termodinámico, de menor a mayor entropía, a cualquier temperatura dada, define una flecha del tiempo. En particular, Stephen Hawking identifica tres flechas del tiempo:
Flecha psicológica del tiempo: nuestra percepción de un flujo inexorable.
Flecha termodinámica del tiempo: se distingue por el crecimiento de la entropía.
Flecha cosmológica del tiempo: se distingue por la expansión del universo.
Con el tiempo, la entropía aumenta en un sistema termodinámico aislado. Por el contrario, Erwin Schrödinger (1887-1961) señaló que la vida depende de un "flujo de entropía negativa". Ilya Prigogine (1917-2003) afirmó que otros sistemas termodinámicos que, como la vida, también están lejos del equilibrio, también pueden exhibir estructuras espacio-temporales estables que recuerdan la vida. Poco después, se informaron las reacciones Belousov-Zhabotinsky, que muestran colores oscilantes en una solución química. Estas ramas termodinámicas de desequilibrio alcanzan un punto de bifurcación, que es inestable, y otra rama termodinámica se vuelve estable en su lugar.
Estas ecuaciones permiten soluciones en forma de ondas electromagnéticas. La onda está formada por un campo eléctrico y un campo magnético que oscilan juntos, perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. Estas ondas siempre se propagan a la velocidad de la luz c, independientemente de la velocidad de la carga eléctrica que las generó.
El hecho de que se predice que la luz viajará siempre a una velocidad c sería incompatible con la relatividad galileana si se supusiera que las ecuaciones de Maxwell se mantienen en cualquier marco inercial (marco de referencia con velocidad constante), porque las transformaciones galileanas predicen que la velocidad disminuirá (o aumentará) en el marco de referencia de un observador que viaja paralelo (o antiparalelo) a la luz.
Se esperaba que hubiera un marco de referencia absoluto, el del éter luminífero, en el que las ecuaciones de Maxwell se mantuvieran inalteradas en la forma conocida.
El experimento de Michelson-Morley no pudo detectar ninguna diferencia en la velocidad relativa de la luz debido al movimiento de la Tierra en relación con el éter luminífero, lo que sugiere que las ecuaciones de Maxwell, de hecho, se mantuvieron en todos los fotogramas. En 1875, Hendrik Lorentz (1853-1928) descubrió las transformaciones de Lorentz, que dejaron sin cambios las ecuaciones de Maxwell, lo que permitió explicar el resultado negativo de Michelson y Morley. Henri Poincaré (1854-1912) señaló la importancia de la transformación de Lorentz y la popularizó. En particular, la descripción del vagón de ferrocarril se puede encontrar en Science and Hypothesis, que se publicó antes de los artículos de Einstein de 1905.
La transformación de Lorentz predijo la contracción del espacio y la dilatación del tiempo ; hasta 1905, el primero se interpretó como una contracción física de los objetos en movimiento con respecto al éter, debido a la modificación de las fuerzas intermoleculares (de naturaleza eléctrica), mientras que el segundo se pensó que era solo una estipulación matemática.
Si en el punto A del espacio hay un reloj, un observador en A puede determinar los valores de tiempo de eventos en la proximidad inmediata de A encontrando las posiciones de las manecillas que son simultáneas con estos eventos. Si hay en el punto B del espacio otro reloj que en todos los aspectos se parezca al de A, es posible que un observador en B determine los valores de tiempo de los eventos en la vecindad inmediata de B.
Pero no es posible comparar, sin más suposiciones, con respecto al tiempo, un evento en A con un evento en B. Hasta ahora hemos definido sólo un "tiempo A" y un "tiempo B".
No hemos definido un "tiempo" común para A y B, ya que este último no se puede definir en absoluto a menos que establezcamos por definición que el "tiempo" requerido por la luz para viajar de A a B es igual al "tiempo" que requiere para viajar. de B a A. Deje que un rayo de luz comience en el "tiempo A" t A de A hacia B, deje que en el "tiempo B" t B se refleje en B en la dirección de A, y llegue nuevamente a A en el “tiempo A” t ' A.
De acuerdo con la definición, los dos relojes se sincronizan si
Suponemos que esta definición de sincronismo está libre de contradicciones y es posible para cualquier número de puntos; y que las siguientes relaciones son universalmente válidas: -
Si el reloj en B se sincroniza con el reloj en A, el reloj en A se sincroniza con el reloj en B.
Si el reloj en A se sincroniza con el reloj en B y también con el reloj en C, los relojes en B y C también se sincronizan entre sí.
- Albert Einstein, "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento"
Einstein demostró que si la velocidad de la luz no cambia entre marcos de referencia, el espacio y el tiempo deben ser de modo que el observador en movimiento mida la misma velocidad de la luz que el estacionario porque la velocidad está definida por el espacio y el tiempo:
donde r es la posición y t es el tiempo.
De hecho, la transformación de Lorentz (para dos marcos de referencia en movimiento relativo, cuyo eje x está dirigido en la dirección de la velocidad relativa)