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物理学上的时间概念是什么?(物理学时间的定义)

2023-09-24 05:03:10TONY杂谈147

你想多了。

时间,客观存在,虽然看不见、摸不着,但我们确能真实感觉到他的存在。时间,是一种自然现象(物理现象),本质就是时间,是我们用"时间"一词来描述这一自然现象。

爱因斯坦的相对论,使我们对时间有了更全面的认知,但很多人都更迷糊了。"时间是一种什么东西?",那么"长宽高"又是一种什么东西?,长宽高是自然现象,时间也是自然现象,时间和长宽高是不一样的,所以我们用不同的方式描述他们。

爱因斯坦的相对论是科学的解释、描述时间,但是有些人,却故意把他引向了神学。时间是什么?时间为什么存在?那么是不是也可以问"长宽高为什么存在?"。因为都是"上帝"创造的。那么"上帝"又是什么东西,又是什么东西创造的呢?

上班迟到,你可以对老板说:"时间不存在。"

加班时,老板会对你说:"时间也不存在。"

时间,我们可以理解为一个物理学概念,但是他是由天文学定义的。

时间概念包含时刻和时段两个概念。

时刻:xx : xx : xx,几点几分几秒;xx年xx月xx日,某年某月某日。时段:1秒,1分,1小时;1年,1个月,1日也是。

时间有几何学属性,也有物理学属性。

转发发个大神的文章:十五. (真)太阳时、恒星时 - 知乎 (zhihu.com) 解释的比较专业

时间,天文学中最重要的要素。在现实生活中,时间无处不在,我们的计时工具也是多种多样:手机、钟表(机械)、石英(电子)钟、电脑、网络、原子钟等等。但是在天文学中最重要的计时方式并不是这些,而是"真太阳时"。真太阳时:真实的太阳时,以太阳真实位置(影子)为计时方式的计时系统。要了解真太阳时,首先要了解真太阳时的计时工具--日晷【guǐ】。

日晷,在天文学中的正式名称是"赤道式日晷",日晷面倾斜指向天赤道,与地球的赤道平面平行;日晷的指针垂直于日晷面,指向南、北天极,与地球的自转轴平行。

日晷的计时方式:随着太阳的东升西落,影子指示时间,影子指向10:00,表示上午10:00;指向13:00点,表示13:00,或者说:随着地球的自转,正南方扫过星空,而影子记录下时间。其实真正表示时间的是正南方和影子之间在日晷面上夹角,而不仅仅是一个单独的影子。

影子、时间、角度

对比表格中时间和角度的关系,我们得到转换公式:1小时=15°,4分钟=1°,24小时=360°。而影子在日晷面上移动的时间规律也是非常稳定的每小时15°,每4分钟1°。

时间与数学,表格中的时间和角度,他们是一 一对应的。其实我们一直是使用数学中的角度来表示时间,为了区分时间和角度,我们用"小时"来表示时间,用度" ° "来表示角度。时间和角度的转换公式是24小时=360°。

时间刻度的定义:

1天之中,太阳东升西落,最高点在正南方,此时影子最短,指向正北方,我们把这一是时刻定义为中午12:00点。1年365天,太阳东升西落365次,每一次的最高点都在正南方,此时影子最短,指向正北方,天文学把每天的这一是时刻定义为中午12:00点,

其实这些都是地球自转的结果,换一种方式描述更准确:

1天之中,随着地球的自转,日晷的正南方扫过太阳(中心),此时影子指向正北方,我们定义为中午12:00点。1年365天,随着地球的自转,正南方扫过太阳365次,天文学把每一次正南方扫过太阳(中心)作为一个计时的起点,只不过这个计时起点的刻度是 "12:00",而不是"0:00"。

注意:日晷面上12:00点刻度对准正北方。

刻度排列的顺序:日晷面上,我们以正南--正北的连线为基准线,将1个圆等分成两个半圆,再以正南--正北为基准线,将日晷面24等分,得到0~24小时的时间刻度。而时间刻度排列的顺序正是影子从早晨到晚上扫过日晷面的时间顺序。

1天的定义:日晷上影子连续两次扫过12:00点刻度的时间间隔是1天,影子旋转了360°,是24小时。这是地球自转的结果,更准确的描述应该是:随着地球的自转,(日晷)正南方连续两次扫太阳 (中心)的时间间隔是1天,正南方旋转了360°,是1天24小时。两种描述方式不同,但是结果是一样的。这就是24小时=360°的原因。

"时、分、秒"的的定义,1天24等分是1小时,1小时60等分是1分钟,1分钟60等分是1秒钟。这是数学上的等分关系,非常完美。注意:时间单位使用的是"时、分、秒",角度单位使用是"度、分、秒",注意两个"分、秒"之间的区别。

计时工具,对时,"0:00"刻度。由于在夜晚、阴天、下雨我们无法使用日晷,我们还发明了其他计时工具来代替日晷,古代有铜壶滴漏、沙漏等等,现在有机械钟表、石英(电子)钟表、原子钟等等。获得真太阳时,利用钟表(石英钟)和日晷对时,在钟表(石英钟)上就获得真太阳时,夜晚就可以使用了。这样我们就可以获得子夜真太阳时的"0:00"时刻了。

反向应用。有了机械、石英钟表,我们还可以反向应用,测量太阳东升西落,星星、星座东升西落的角速度。

这里我们发现一个问题,太阳东升西落,星星、星座东升西落,都是地球自转的结果,但是他们的角速度不一样。太阳东升西落的角速度是每小时15°,而所有星星、星座东升西落的角速度是每小时15.0411°。换句话说:星星、星座东升西落的速度比太阳东升西落的速度快。为什么会这样?

其实这个问题还可以换一种方式描述:

正南方连续两次扫过太阳的中心是360°(影子连续两次扫过正北方);正南方连续两次扫过同一颗星星(恒星)也是360°。

两个都是360°,但是当我们用其他计时工具(机械钟表、石英钟表、原子钟)测量这两个时间时,他们的长度却不一样。为什么会这样?

太阳日、恒星日

天文学在研究太阳的同时也在研究恒星。正南方连续两次扫过太阳中心是1天,是360°(影子连续两次扫过12:00刻度),这是1个太阳日;正南方连续两次扫过同一个恒星也是1天也是360°,这是一个恒星日。这都是我们用日晷测量的结果,都是360°。但是当我们用其他计时工具测量这两个360°时,却发现这两个360°的时间长度不一样。

太阳日,一个太阳日的时间间隔是:24小时,偏差-24秒~+29秒。恒星日,一个恒星日的时间间隔是:23时56分4秒,偏差<0.4秒。

太阳日、恒星日之间的差值约有4分钟,为什么会这样?因为这是地球自转和围绕太阳公转共同作用的结果。换一个视角,解释这个天文现象就非常明显了,星空中太阳的视角。

星空中的太阳视角,看地球的自转和围绕太阳公转(参考图中P点):恒星日是地球真实的自转了360°(P点旋转了360°),是正南方连续两次扫过同一颗恒星(注意:无穷远、平行光);而太阳日,是地球正南方连续两次扫过太阳的中心,是地球的真实自转360°+地球公转的角度,由于多了地球公转的角度,所以太阳日要比恒星日要长,约4分钟。

。。。。。

偏差、误差

太阳日,24小时,偏差-24秒~+29秒。恒星日,23时56分4秒,偏差<0.4秒。

误差,由于受到测量工具精度的限制,测量结果不准确在一定范围内变化,这是误差。偏差,在高精确测量下,单次测量结果准确,但是偏离正确值(或平均值),这是偏差不是误差。偏差和误差往往同时存在。物理学中我们通过提高测量精度来消除误差,多数情况下,偏差也会消除;但有时候,当误差消除了,而偏差仍然存在,这就是需要物理学来解释偏差产生的原因了。这里的太阳日、恒星日都是存在偏差的,这些都不是误差。

太阳日,24小时,-24~+29秒是偏差,是由地球公转引起的,这不是误差。恒星日,23时56分4秒,偏差<0.4秒。恒星日的偏差是由月亮、太阳、木星、等等天体对地球引力引起的,或者地球上地震、台风等等多种因素引起的,偏差非常小。

恒星日的偏差很小,一般我们忽略不计,(恒星日偏差一般记为0,原因比较复杂就不是本书要讨论的内容了)。然而太阳日-24~+29秒的偏差,相比于24小时也很小,但却彻底改变了我们的计时方式,引起了时间的变革,使我们更深入的了解时间。

1天是360°,但不是24小时。当我们用日晷,时钟(机械、石英)同时计时时,1年365天,每一天正南方扫过太阳中心的间隔都是360°(影子扫过正北方、12:00点刻度);但是用时钟的计时每天都不一样,从24小时-24秒,到24小时+29秒,偏差-24秒~+29秒之间变化。为什么会这样?

这是因为地球绕日轨道是椭圆的,不是正圆。由于椭圆轨道角度(相对正圆)变化的不规律,在一段时间内每天的时间比24小时长些,在一段时间内每天的时间比24小时短些,这就是每天的偏差-24秒~+29秒的原因。太阳日=地球的自转+地球的公转

24小时是一个平均值,360°是我们用几何学描述时间的结果,而24小时不是,24小时是我们用一年时间的总和平均到每一天得到的结果,在天文学中称为平太阳时(平均的太阳日,平均的太阳小时),而天文学中将日晷的计时方称为真太阳时(真实的太阳日、真实的太阳小时)。本来在天文学中只有"太阳时",并无真、平太阳时之分,但是随着我们计时工具精度的提高,随着我们对地球围绕太阳公转轨道是椭圆的深入了解,天文学开始区分真、平太阳时。平太阳时有时也称为"假"太阳时。

。。。。。。

物理学,我们不能使用真太阳时

时间,物理学中的基本单位,不能存在偏差,忽大忽小的时间对物理学影响太大了。最常见的就是物理学中的速度,速度以时间为单位,很多都是以秒为单位的,比如光速 c0=299792.458km/s (一般取30万公里/s)。

时、分、秒,物理学基本单位。1天360°是24小时,24等分是1小时,再60等分是1分钟,再60等分是1秒钟。这是时间的数学等分,非常完美。但是在力学等分时,时间出现了偏差。1天(真太阳时)的时间有-24~+29秒的偏差。简单计算我们就可以得到每秒的偏差。1天=24小时=1440分=86400秒。1天的偏差,-24~+29秒。1秒的偏差=(-24~+29)÷86400=-0.0002778~+0.0003356秒

如果我们使用真太阳时来描述光速,由于每天的时间长度不一样,每天每一秒的长度也不一样,你会发现今天的光速是每秒30万公里,明天可能是每秒29万公里了。这在物理学中是不能被接受的,我们必须使用一个恒定长度的时间单位,我们不能使用真太阳时,我们开始使用平太阳时。日、时、分、秒都是恒定的日、时、分、秒。

1967年,第13届国际度量衡大会对秒的定义是:铯-133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9,192,631,770倍的时间。这个定义提到的铯原子必须在绝对零度时是静止的,而且所在的环境是零磁场。在这样的情况下被定义的秒,这与天文学上的历法时所定义的秒(平太阳时定义的秒)是等效的。时间,我们对时间的定义,由天文学向物理学过度。

真空光速定义:c0=299,792,458m/s,(一般取300,000km/s)。

1983年,光速取代了保存在巴黎国际计量局的由90%铂和10%铱的合金制成的米原器被选作定义“米”的标准,并且约定光速严格等于299,792,458m/s,此数值与当时的米的定义和秒的定义一致。秒和光速的定义值,表示1米从此定义为光在真空中1/299,792,458秒内走过的距离。因此,自1983年以来,由于测量技术的提高,我们对光速的测量作了多多少少精确度的修正,但都不会影响到光速值,却会影响到米的长度。现在我们的身高事实上是由光速定义的。

时间的几何学属性与力学属性

时间是一个较为抽象的概念,是物质的运动、变化的持续性、顺序性的表现。时间概念包含时刻和时段两个概念。时间是人类用以描述物质运动过程或事件发生过程的一个参数,确定时间,是靠不受外界影响的物质周期变化的规律。例如月球绕地球周期,地球绕太阳周期,地球自转周期,原子震荡周期等。这是时间的力学属性,或者说是物理学属性。

时刻:xx : xx : xx,几点几分几秒;xx年xx月xx日,某年某月某日。时段:1秒,1分,1小时;1年,1个月,1日也是。

天文学对于时间的定义,包括对时刻的定义,也包括对时段的定义。为了简化,现在我们对时段的定义,使用等效的物理学定义,主要针对计时单位是:时,分,秒。

时间的几何学属性,24小时=360°,这是时间的几何学属性,这是我们用天体的几何学位置描述时间的结果。我们使用数学中角度来描述时间,为了区分时间和角度,我们用"小时"表示时间,用度" ° "表示角度。

时间的力学属性,时间的物理学属性,这是我们使用物体周期运动来描述时间的结果。日晷,真太阳时,他的力学属性是地球的自转周期+公转角度,几何学属性是自转1周360°。机械钟表、石英钟、原子钟,他们的力学属性是他们固有的震荡周期。不同的计时方式,他们的力学属性是不一样的。但是他们的几何学属性都是一样的,都是使用24小时=360°表达方式。

由于本身物理学属性的原因,只有日晷记录的是真太阳时。机械钟表、石英钟、原子钟只能记录平太阳时。我们可以通过和日晷对时来简单的获得真太阳时。

。。。。。。。未完

原文:十五. (真)太阳时、恒星时 - 知乎 (zhihu.com)

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