時間(ラテン語tempusに由来) は、時間の経過という意味での自然の基本的な概念です。エティエンヌ・クラインは、「物理学者は、時間の性質に関する微妙な問題を直接解決しようとするのではなく、むしろ、時間を表現する最良の方法を模索することを目的としている。」と書いている。時間の物理的な測定と関連する予測。
ヘラクレイトスと原子学者は物質と運動を混同することを提案しました。彼らによれば、すべてがモバイルだという。ガリレオは、物体の落下を研究することによって、経験を数学的に結びつけることを可能にする定量化可能な量として時間を初めて考慮しました。したがって、時間を基本パラメータとして選択することにより、自由落下で物体が獲得する速度は落下時間に単純に比例すると推測します。時間の最初の形象は、一連の無限微小な瞬間から構成される線 (後に、単一方向に向けられた線、または時間の矢) でした。
空間内の物質の相互作用 (物理現象として定義される) には、時間という自由度(次元) が必要です。この自由度は、一定速度での動きによって与えられる対応に従って、空間の次元によって表現または計算できますが、表現の他の次元は常に空間次元を表すために使用できます。したがって、一定の速度でのこの線の動きを介して、時間の経過とともに線上で何が起こるかを平面で把握し、時間の経過とともに平面で起こることを通常の空間で示すことができます。時間を空間形式で表現するこのモードにより、アインシュタインの用語に従って時空連続体を記述する相対性理論において時間が空間にどのようにリンクされているかを特定の側面で把握することが可能になります。必要に応じて長さや期間を短くすることも可能です。
科学的な時間と心理的な時間
私たちは伝統的に、時間に関して 2 つの概念的な次元を区別します。最初のものは客観的、つまり数学化されたものと説明でき、物理科学によって研究され、哲学者が通常「時間」という用語で指定する時間に対応しますが、この最初の概念化方法と共存し、主に次の問題を引き起こします。人間によるその認識。それは単に持続時間の認識の問題ではなく、より一般的には時間の経過の理解の問題でもあります。
これら 2 つの次元のうちの 1 つ目である客観的時間は、不変の時計に関連して定義される測定と大きさの問題です。国際システムにおける時間の法定単位は秒(およびその倍数) ですが、この単位の定量化は歴史を通じて変化してきました。
主観的な時間は、一見すると、客観的な時間の心理的な変化として定義できます。 「主観的な時間」では、秒は数時間のように、何時間にも、秒のようにも見えます。持続時間 (つまり、時間の主観的な印象) は、特にそれを評価する人が感じる感情に依存します。言い換えれば、主観的で可変的な時計があり、被験者の集中力に反比例して時間が進みます…自分の活動に非常に忙しい被験者（たとえば、楽しんでいるとき）の場合、時計は進みます非常にゆっくりと、数拍だけが経過し、被験者は「時間の経過を認識しない」。逆に、私たちが退屈しているとき、または状況が劇的であるとき（たとえば、事故中）、現象は遅くなるように見える（注意がサポートを求める） ）、ビートが加速し、「時間が長く感じられます」。
しかし、客観的時間と主観的時間だけでは、時間の概念化によってもたらされる複雑さを完全に把握するには不十分です。第一に、時間推定の先駆者である最初の天文学者にとって客観的であるように見えたものは、最初の測定が行われたときには非常に主観的であることが判明しました。その後、いくつかの概念的革命が、物理現象から独立した絶対的な客観的な時間のモデルの反対の見方を採用しました。したがって、時間測定の相対性は人間の状態の特権ではありません。
物理学と生物学という2 つの科学分野は、時間の経過とともに深い影響を及ぼします。物理学者にとって、時間はシステムや自然法則を形式化する上で非常に重要です。最初はパラメータとして考えられていましたが、時間は相対性理論によって新たな地位を獲得しました。生物学者も時間を無視することはできません。なぜなら、生物の研究のほとんどは、スケールが何であれ、時間の経過に伴う動的な相互作用と調整を扱うからです。進化理論から、時間は微生物の増殖にその過程を課すことになります。ただし、物理学における時間のさまざまな概念化の研究には一般的な教訓が豊富に含まれているため、最初に取り上げます。
古典力学の瞬間時間
アリストテレスの思想を直接受け継いだ「科学」の時間は、 17世紀初頭のヨーロッパにおける力学革命とともに、いわば突然出現した。ガリレオ-ニュートン系の数学的形式化により、時間は絶対的な枠組み、変更不可能なベンチマークとして定義されます。時間と空間は、いわゆる「古典的」力学において、威厳があると表現できる力基準システムの独立した要素を構成します。物理現象は、法則の産物としてそこに位置し、空間によって形成される絶対値のペアに完全に従属します。そして時間 – これは因果関係をシンプルかつエレガントに形式化したもので、科学者ではない人にとっては完全に直観的です。
この物理世界の見方は、実際にはアリストテレスから直接来ています。それにもかかわらず、それは数学を通じて時間の概念化に大きな進歩をもたらしました。なぜなら、時間は数学を通じて新たな地位を獲得したからです。つまり、神秘化され、その神聖な属性が取り除かれ、時間はもはや質ではなく、すでに量として考えられています。これは特に時間の測定の進歩と関係しています。中世には時計製造が大幅に発展し、これらのすべての測定機器を同期させることができるという宇宙時間の概念が物理学と科学的思想の中についに登場しました。 。
このように、時間は迷信に反します…しかし、歴史にも反します。これは、微分積分のおかげで最初に構築された物理的時間の誕生です。したがって、「不変変換」という 2 つの連続する瞬間の間の関係の形で表現されると、古典力学における時間である連続的な流れはその実体を失います。絶対法則は初期条件と時間の経過に伴う将来のみを考慮し、現在は数学化されています。 。そのような時間は、それ自身の一貫性を持たず、存在論からは程遠く、カントに、時間は決して理解のアプリオリなカテゴリーではなく、人間の主観性のアプリオリな形式であると言わせるでしょう。古典力学の物理学者にとって、大多数のギリシャの思想家のように、時間はもはや性質ではなく、存在の様式とその生成の条件であると考えることは、非常に実際的な問題である。したがって、物体は変化し、動きますが、時間は「存在の持続性」のように、その絶対的な不変性においてそれに伴い生じます。したがって、それは規則的である、不変に規則的であると想定されなければなりません。微分積分は、一度固定される瞬間的な時間を構築し、生み出します。そして、因果関係と論理（自然の法則）のすべての関係についても同様です。この時間の概念化は最初は幾何学的なものでした。分析的なラグランジュ力学は、このニュートン時間に基づいて運動の物理学を洗練するのに役立ちます。
時間は一般相対性理論に依存します
ニュートンモデルの時代には、現在普及している絶対時間と絶対空間のモデルにすべての物理学者が同意していたわけではありません。したがって、エルンスト・マッハは、ライプニッツと同様に、時間を現象間の特定の関係を簡単に表現する手段として考えました。このような物事の見方は、古典物理学の観点からは不合理に見えるかもしれません。しかし、今日までのローレンツの理論的発展は、少なくとも部分的には彼が正しいことを証明するでしょう。
順応性のある時間
さまざまな問題と矛盾により、 19世紀の物理学者は古典力学を再検討するようになりました。ポアンカレは、著書『科学の価値』の中で興味深い歴史的見解を提供しています。時間に関する限り、変化のほとんどはアルバート・アインシュタインによってもたらされ、何よりも特殊相対性理論によってもたらされます。この理論では、「最初に提案されるのは測定ではなく現象です。これらの現象を表す時間と空間は、後者の適切な表現を可能にするような方法で構築されます 1 ] 。 」時間に関する概念の激変を理解するには、アインシュタインが、当時両立しなかった、または少なくとも矛盾していた 2 つの理論、力学と電磁気学を結び付けることに着手したことを知るだけで十分です。 1 つ目は相対性原理を表しており、これはすでに知られています (ガリレオはすでにそれを表しています)。 2 番目の条項は、特に、光の速度は、光を発する光源の動きとは無関係に一定であることを規定しています (したがって、基本的には相対的ではありません)。彼の 2 つのアプローチを統合するために、物理学者は時間と空間 (したがって、動きと速度の概念) を構築するだけでなく、再定義します。ミンコフスキー時空によって対として表現される時間と空間は、現象の一般的な性質、つまり上記で説明した原理に依存するようになります。これは、絶対的かつ不変の時間によって表現された古典力学との強力な決別です。一般相対性理論は、時間通りの現象のこの規定を、もはや慣性運動だけでなく、あらゆる種類の運動に課します。
それは、複雑な方程式を介して、時空が物質の存在によって歪められ、それが重力と呼ばれる力を通じて現れることを示しています。アルバート・アインシュタインによれば、時間、空間、物質はそれぞれがなければ存在できません。さらに、それは通常の因果関係の順序を逆転させます。物質が関与する現象の枠組みとなるのはもはや時間と空間ではなく、主に時間と空間に影響を与える物体です。ここで時間は、ニュートンとともに失った物質性を取り戻します。出来事の順序、つまり継承は、因果関係、より具体的には光の性質と切り離すことができません。カントはすでにこれを部分的に見ていましたが、同時性は相互因果関係によって決定されると信じていました。それは彼が出来事という観点ではなく、太陽や地球というようなものという観点から考えたからです。さらに、カントにとって、時間の性質が経験に結びついており、時間の論理的必然性がないのであれば、それは物理的な経験の問題ではなく、私たち自身の親密な感覚の問題、あるいはむしろそのアプリオリな形式の問題である。このビジョンは、通常の定命の者にとっては確かに直感的ではありません。時間が伸びたり短くなったりすることは、非常に非現実的に思えます。しかし、それは、私たちが日常的に行っている世界の観察と両立しながら、水星の近日点や重力レンズなどの現象を説明できるようにするものです。ブラック ホールは、光の速度に近い速度で考慮した場合、相対論的時間の理論的特性の素晴らしい例を構成します。
空間と時間の間のつながりは、同時性の概念がその絶対性を失うという結果ももたらします。つまり、すべては観察者に依存します。この現象も常識ではありません。なぜなら、観測者が光速に比べて比較的速い速度で相対的に移動する場合にのみ見えるからです。一般的に言えば、相対性理論は、物理学者の客観的な時間は依然として可変である(時空用語では局所的と訳される)ことを教えてくれます。それぞれの速度が異なる場合、時間の測定は基準フレームごとに異なります。この条件により、同時性の概念を再導入することについて話すことができます。つまり、そこには局所的な「客観的」同時性、真実よりも真実な虚偽が存在します。
相対論的な時間の流れ
したがって、今日の物理理論の方程式では時間を相対的なものとみなしています。物理方程式は時間の移動に関して対称です。 1918 年に確立されたネーターの定理は、この性質が物体間の相互作用に関係なく保存される量、エネルギーの存在を意味することを示しています。理論的および実践的な素晴らしい進歩と同時に、相対性理論は時間の密接な性質についての新たな疑問をもたらしました。多くはその流れに関係しており、それによって人間の通常の疑問に近づくことができます。
時間の流れに終わりがあるのか、始まりがあるのか、終わりがあるのかを知ることは、あらゆる分野の多くの科学者に動機を与えてきた問題であり、もちろん、それは世界の起源と終わりについての無数の信念に言及しています。科学的な観点から、一般相対性理論の枠組み内で解釈された数多くの観察により、宇宙には始まりがあり、時間、空間、物質が存在するというビッグバン理論を確立することが可能になりました。今日私たちはそれらを理解しています。現在の知識によれば、相対論的時間は約 137 億年前に始まりました。時間には始まりがあったという事実、そして「時間の始まりの前に何があったのか?」という問いに意味がないという事実は、想像するのが非常に困難です。ビッグバン理論の確認を可能にした観測の中には、この理論が一貫した説明を与えるという意味で、遠く離れた星から発せられる光スペクトルの赤方偏移や、すべての星から来る宇宙放射線の存在が含まれます。温度2.73ケルビンの黒体放射に対応する宇宙の方向[ 2 ] 。
相対性理論における宇宙時間
これらすべての疑問は、宇宙時間の定義というより広範な疑問を引き起こします。ニュートン物理学では、絶対時間がこの役割を十分に果たします。しかし、その存在そのものによって、同様に絶対的な現象、つまり宇宙規模での物理的宇宙の可能性が排除されるため、絶対的なものであるという理由で宇宙時間を定義することは、特に一般的な概念に照らして今日では誤りであるように思えます。相対性。正確に言えば、相対性理論はそのような宇宙時間に関する先入観のあるモデルを提供するものではありません。20 世紀の間に、数多くの宇宙論が提案されました。それらの中で、最も可能性が高いと思われるのは、一般相対性理論と最も一致しているため、ビッグバン理論に関連するモデルです。これらは、宇宙時間の最良の形式化を提供し、宇宙の進化の研究を可能にするモデルでもあります。時間の進行は直線的で一方向であるため、人間の観点からは論理的です。しかし、その定義はビッグバンの文脈における宇宙時間の解釈は、もう 1 つの謎をもたらしました。時間を「遡る」ことによって、現在までの超えられない制限が存在します。これをプランク時間と呼びます。宇宙生命のこの瞬間以前は、科学が存在するには空間と時間が必要なため、現在の理論はもはや通用せず、知識を推定することさえできません。もしそれ自身の基盤の崩壊を予測するとしたら、それは何ができるのでしょうか、またどのような論理的な手がかりを私たちに与えてくれるでしょうか?新しい概念的枠組みが実際に見つかるのであれば、ここで発明されなければなりません。
したがって、教訓が豊富なもう 1 つの質問は、時間の存在の最初の瞬間 (有名なプランク時間) からの時間の流れの性質に関するものです。つまり、時間の流れは規則的ですか?ニュートンシステムは明らかに厳密な時間を課しました。相対性理論は、自然に弾性時間を課します[ 3 ]が、私たちは、時間が基準と可鍛性物質という二重の役割を獲得する複雑な概念の再定義を通じてこの変換がどのように起こるかを見てきました。最後に、時間の流れの方向について考えてみましょう。直観的に、私たちは時間を過去から未来に向かって前進するような一方向的なものとして捉えます。この言語はまた、直線的な時間のさまざまな瞬間の間の関係を非常に豊かに表現します。しかし、多くの物理法則は、数学的には時間の矢に沿って可逆的です。
時間の矢
実際、物理学の方程式は「時間反転」に関して対称であることが非常に多く、これは顕微鏡スケールで現象を記述するすべての方程式に当てはまります。したがって、顕微鏡スケールで発生する物理的相互作用の記録を再生する場合、その記録が正しい向きで再生されているのか、逆向きで再生されているのかを区別することは不可能です。
しかし、巨視的なスケールでは、特定の現象は明らかに逆には起こりません。したがって、地面に落ちて割れた卵が、致命的な落下前と同じ状態でテーブルの上に跳ね返ることはありません。もう 1 つのおそらくそれほど些細ではないが日常的な例は、物体間の熱エネルギーの伝達です。これは常に最も熱い物体から最も冷たい物体へ起こり、その逆は決して起こりません。熱力学の第 2 法則は、熱交換中のエントロピーの進化を主題とし、孤立系のエントロピーは増加するだけであると仮定し、したがって時間に関して非対称な物理法則を与えます。ルートヴィヒ・ボルツマンは、微視的スケールでの時間可逆現象がどのようにして巨視的スケールでの明らかな時間の矢につながるのかを説明しようとしました。このために、彼は確率が非常に重要な役割を果たす統計物理学を開発しました。 [ 4 ]物質の最小スケールでの相互作用を研究する量子物理学によって裏付けられた現在の説明は、複雑さという単純な考えに基づいています。微視的なスケールでは、原子である構成要素は、特定の特性について完全な確実性に近づくまで、統計的に忠実にモデル化できる不安定な個々の動作を持っています。しかし、単純な鉄の針にも数十億個の原子が含まれています。「系の微視的な構成がどのようなものであるかを正確に特定することができないため、そのような系の結合が崩れた場合には、ある曖昧さをもって特徴付けることしかできません。 」あるいは変更されただけの場合、粒子間の相互作用により、システムの進化のダイナミクスの信じられないほど複雑な既知の情報が薄められます。情報の損失、または同等の分子の無秩序の増大は、可逆的な法則に基づいて、私たちの生活のスケールにおける決定論的な行動を生成します。エントロピーは物質のこの無秩序の尺度であり、その範囲は他の分野、特に情報理論に拡張されています。したがって、時間の矢は因果的な時間の経過に基づいており、特定の現象の方向の考え方を導入しています。
したがって、時間の不可逆性は、私たちにとってまさにその流れの方向であるため、一般的な方向の定義が必要です。たとえば、「エントロピーは[巨視的反応の]進化の方向を示す指標として現れ、時間の経過に伴うその増加はプロセスの不可逆性の程度を測定します。 [ 5 ] 」 私たちに与えられた世界を調べるには、物理学や私たちの感覚によって、時間の矢印と方向は一貫しているように見えます。しかし、 19世紀の「エネルギー学者」は、原子論、特に熱力学を特徴付ける常識の欠如を指摘しました。確かに、微視的なスケールでの可逆性は時間に逆行しているように見えます。しかし、彼らは時間の矢によってその進路を指定したのが間違いでした。ニュートンはこの間違いを犯しておらず、この問題を検討する必要もなく、時間の矢の概念が不可逆性の概念とは異なることをすでに理解していました。つまり、物理法則は紙の上では十分に可逆的であり、それを説明する出来事です。このうち、直観的な時間に対して表向きに発生しても逆向きに発生しても（卵が割れたり再構成したりするように）、これらの出来事は時間の経過、その進行の中に刻まれているのと同じように、それらの出来事は起こります。特に、進行を中止し、進路を逆転させるという意味で、時間を遡るという考えは、根本的に直観に反しています。熱力学はこの例を示しています。相対論的物理学におけるもう 1 つの例は、ブラック ホールに閉じ込められた光の場合です。光は、それ自体が閉じた時空の測地線を通過するため、その時間の間、時間が凍結またはキャンセルされ、あるいはそのような順序になります。そして、光子が「自分自身で」時間を遡ることができると確かに想像できますが、これは単なる推測であり、誤った解釈と言うわけではありません。科学的思考は、 SFだけが過去へのタイムトラベルを現実にする魅惑的な力を持っていると考えるよう促します。
量子物理学と熱力学は、基本的に、宇宙の大きな謎はその初期条件にあると思われることを教えてくれます。実際、時間の矢は、私たちがよく知らないうちに、可逆的なものからカオス的な決定論を経て決定的なものへと移行するシステムの進化に直面する初期条件の決定的な重要性を明示、あるいは伝えています。この初期条件の問題は未解決のままですが、時間をかけて考察するための新しくて興味深い手段を示唆しており、おそらくそれが可能になるでしょうか。 「統一因果時間」を構築または発見することによって、科学的および哲学的理論モデルの現在の限界を超えること。
したがって、今のところ、科学でも他の分野でも、現代の時間の概念を伝えるのは時間の矢です。したがって、物理学は普遍的な時間の矢を強制するものではありません。生物学は独自の不変の物事の経過を導入しており、私たちは心理的な時間の矢を反映することができます。そして、物理学自体が、その専門分野のいずれかに適応したいくつかの時間の矢を明らかにしました。このようにして、私たちは、崩壊時に最も壮観な表現が見られる重力の矢を発見します。放射の矢印は、すべての放射源が消滅する運命にあることを示しています。上で説明した熱力学的矢印。あるいは量子の矢…私たちは直感的に過去から未来への独自の時間の矢を作り出しますが、私たちが時間の方向よりも持続時間に敏感であることは事実です。そのため、科学は時間の「独占」を維持しています。時間的矢印の研究。これらのモデルの多様性は、おそらくそれらが不完全であることを示しています。
物理学のさまざまな分野での時間
光の速さを利用して
超えることのできない速度制限は、(別の方法で証明されるまで) c 、つまり、物理宇宙の定数の 1 つである真空中の光の速度 (つまり、毎秒 299,792,458 メートル) に等しいです。この速度は一般的な物理現象、つまりこの場合は光も一部である電磁波の真空中での伝播に直接介入します。空気中のこれらの波の伝播はわずかに遅い速度で発生しますが、それでもcに近い速度です。このため、速度を表したり、非常に長い距離を表現したり測定したりするための参照単位として使用されることがあります (地球から太陽までの距離は 1 億 5,000 万 km、または 8 光分です)。 GPS などの測位システムの動作には、持続時間の正確な測定と相対性理論に基づくそれに関連する計算の補正が必要です。その理由は、その基になる時間測定 (電磁波の到達時間) には非常に高い精度が必要だからです。衛星からの信号を利用して、これらの衛星までの距離、したがって位置を計算できるようになります。
したがって、2 番目は、セシウム-133原子の基底状態の 2 つの超微細エネルギー準位間の遷移放射の 9,192,631,770 周期に等しいと定義されます。これは空間の単位 (メートル、真空中を光が 1/299,792,458 秒で移動する距離として定義) の定義の基礎となります。
ニュートン物理学と線形時間
古典物理学を参照
1665 年頃、アイザック ニュートンが重力の影響下での物体の落下から、時間の扱いに関する最初の明確な数学物理学の定式化、つまり万能時計として考えられた線形時間を得ました。
熱力学と不可逆性のパラドックス
1812 – フーリエが熱の分析理論を発表します。 1824年 – サディ・カルノーが蒸気機関を科学的に分析した
熱力学第 1 法則 – またはエネルギー保存則
熱力学第 2 法則 – エントロピーの法則 (1850 – クラウジウス)
- E = … (熱エネルギー)
- ds = …
- $$ {\frac{\partial ^2T}{\partial t^2} =\frac{\partial T}{\partial x}} $$
熱力学方程式、特にエントロピーの概念は、不可逆性の必然性を導入することによって時間に意味を与えます。孤立系のエントロピーは時間の経過とともに増加するだけです。
アインシュタインの物理学と時間
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| この物理学の記事では、 相対性理論シリーズの一部 |
| 基本 |
| 歴史 – 理論 |
| ローレンツ – アインシュタイン – マッハ |
| ローレンツ変換 |
| ファインマン – ポアンカレ – マイケルソン |
| 時空-c – E=mc² – t |
| EQR |
| 例:マイケルソンとモーリー |
| exp:考えた?-エーテル |
| 双子を訓練する |
| 特殊一般相対性理論 |
| 相対性理論 |
| 歴史論争 |
| テクニック |
| サイクロトロン |
| 粒子加速器 |
| メタ |
| 記事 |
| 物理リンク |
| 形状 |
1875 年、ローレンツはローレンツ変換を発見しました。ローレンツ変換は、1887 年に W. フォークトによっても発見されました。これは、ガリレオの変換方程式の代わりに、1905 年に発表されたアインシュタインの相対性理論で使用されています。この理論は、光の速度が計算される慣性基準系に関係なく同じであるという仮定に基づいています。
アインシュタインの相対性理論は、ミンコフスキー空間を記述する計量テンソル[( d x 1 ) 2 + ( d x 2 ) 2 + ( d x 3 ) 2 − c 2 ( dt ) 2 ) ]を使用するリーマン幾何学を使用して展開します。マクスウェル方程式を保存するローレンツ変換の幾何学的解。
アインシュタインの理論は、すべての慣性座標系がすべての物理法則に関して同等であるという前提に基づいています。彼の理論はシンプルかつ洗練されており、時間の測定はある慣性座標系によって異なること、つまり、普遍的かつ唯一的な時間は存在しないことを示しています。各慣性基準フレームには独自の時間測定値があります。
量子物理学と時間
量子力学も参照してください。
ハイゼンベルクの不等式の一つ、
動的システム
力学システムとカオス理論、散逸構造を参照
時間は、システムの幾何学的形状を明らかにし、それに作用することを可能にする動的システムのパラメータ化であると言えます。時間はカオス (つまり、その非線形性/不可逆性) の暗黙の結果、つまりシステムの特徴的な時間であると主張されています。ブノワ・マンデルブロは、著書『マルチフラクタルとノイズ 1/f』で固有時間を紹介しています。
参考文献
- ラ・ルシェルシュ特別号 第 5 号 2001 年 4 月 「時間」
- タイム、マーク・ウェッツェル、クインテット・コレクション「哲学者」、パリ、2006 年、ISBN 2868500269