Spatiul, spatiu-timp, timp si orologii

Spatiul, spatiu-timp, timp si orologii

Spatiul

Spatiul in filozofie si fizica

• Categorie filozofica ce desemneaza forme obiective si universale de existenta a materiei in miscare.
• Categoria spatiului exprima ordinea, pozitia, distanta, marimea, forma si intinderea obiectelor coexistente in lumea reala.

• Spatiul are trei dimensiuni, spre deosebire de timp, care are o singura dimensiune. In plus, timpul se scurge intr-o singura directie - numai inainte.

• Atomistii antici (Democrit , Epicur) considerau spatiul ca un receptacul vid si infinit al atomilor materiali.
• Aristotel considera ca spatiul este suma locurilor pe care le ocupa corpurile si ca atat materia cat si spatiul ar fi finite.
• Coceptia atomista despre spatiu si timp (pusa si la baza geometriei lui Euclid), a fost dezvoltata in filozofia moderna de catre Newton.
• Pentru Newton spatiul si timpul sunt absolute, obiective si universale, deci independente de materia in miscare.
• Engels considera ca formele de baza ale oricarei existente sunt spatiul si timpul si ca o existenta in afara timpului este o absurditate tot atat de mare cat si una in afara spatiului.
• Berkeley, Hume, Mach, Bergson neaga obiectivitatea spatiului si timpului, punandu-le in dependenta cu constiinta omului sau ca forme subiective ale trairilor sale subiective.
• Kant considera ca cele doua categorii sunt forme apriorice ale sensibilitatii umane.
• Hegel considera spatiul si timpul ca fiind doua categorii ale ideii absolute.
• Constituirea geometriilor neeuclidiene de catre Lobacevski, Bolyai, Gauss, Riemann, a contribuit la formarea conceptiei dupa care proprietatile geometrice spatiale nu sunt pretutindeni aceleasi, fiind determinate de proprietatile fizice. Spatiul este deci neomogen si anizotrop.
• Teoria relativitatii lui Einstein, (numita si teoria fizica a spatiului si timpului) a demonstrat ca proprietatile spatio-temporale (lungimea corpurilor si durata fenomenelor), depind de viteza de deplasare a sistemelor materiale si ca structura sau proprietatile continuului spatio-temporal variaza in functie de concentrarea maselor substantei si de intensitatea campului gravitational generat de catre acestea.
• Unitatea cu materia determina caracterul infinit al spatiului si eternitatea timpului.

Spatiu -timp

Spatiu-timp este un model care combina spatiul tri-dimensional si timpul uni-dimensional intr-o constructie numita continuu spatiu-timp, unde timpul joaca rolul celei de-a patra dimensiuni. Conform spatiului euclidian, universul nostru are trei dimensiuni spatiale, si o dimensiune temporala.

Timp

Definitia timpului este una dintre cele mai dificile, nu numai din punct de vedere filozofic sau psihologic, dar si fizic. Timpul este una dintre dimensiunile Universului, diferita de dimensiunea spatiala prin aceea ca timpul ordoneaza evenimentele intr-o succesiune ireversibila.

Definitia timpului in fizica

Timpul este una dintre putinele marimi fizice fundamentale (sapte in Sistemul International), care conform cunostintelor actuale nu se pot defini prin intermediul altor marimi, la fel ca de exemplu lungimea si masa.

Durata de timp scursa intre doua evenimente poate fi definita pe baza unei miscari uniforme (de exemplu, deplasarea luminii intre doua oglinzi paralele, rotirea Pamantului) sau a unui fenomen repetitiv (oscilatia unui pendul gravitational, a unui pendul elastic, a unui circuit LC, etc). Prin aceasta metoda se poate defini doar timpul pentru punctul din spatiu in care este plasat instrumentul de masura (ceasul). Pentru alte puncte din spatiu, este necesar sa se stabileasca notiunea de simultaneitate la distanta — un criteriu dupa care sa se poata declara daca doua evenimente ce au loc in puncte diferite din spatiu sunt simultane sau nu.

Timpul in mecanica clasica

In mecanica clasica, se considera „de la sine inteles” ca simultaneitatea a doua evenimente este o proprietate independenta de observator si ca ordinea cronologica si duratele fenomenelor sunt independente de observatorul care le observa. In acest fel, multimea momentelor de timp este izomorfa cu multimea punctelor de pe o dreapta:

• fiecarui eveniment ii corespunde un punct unic de pe axa timpului,
• pentru a asocia un numar fiecarui moment de timp este necesar doar sa fixam o origine a timpului (un moment pe care sa-l notam conventional cu 0).

Timpul in mecanica clasica este omogen, nu este influentat de obiectele sau fenomenele ce au loc si este independent de spatiu.

Timpul in mecanica relativista

In teoria relativitatii, simultaneitatea, duratele si ordinea cronologica a evenimentelor depind de observator. Transformarile Lorentz stabilesc (in teoria relativitatii restranse) relatia dintre duratele fenomenelor asa cum sunt percepute de observatori diferiti, in functie de viteza cu care se deplaseaza fata de fenomenele studiate.

Ca urmare, timpul nu mai exista independent de observator. In schimb, se poate construi un model matematic de spatiu cvadridimensional, spatiu-timpul, astfel ca fiecarui eveniment i se poate asocia un punct din spatiu-timp. Pentru un observator dat, fiecare punct din spatiu-timp este vazut ca un punct avand o anumita pozitie in spatiu fata de sistemul de referinta al observatorului si un anumit moment in timpul observatorului. In teoria relativitatii restranse, spatiu-timpul este modelat ca spatiu Minkowski.

Notiunea absoluta (independenta de observator) de ordine cronologica se pastreaza doar in anumite limite. Anume, fiecarui eveniment (fiecarui punct din spatiu-timp) i se poate asocia:

• un con de lumina viitor, constituit din punctele aflate la distanta (in spatiu) mai mica sau egala cu timpul scurs de la evenimentul considerat la acel punct inmultit cu viteza luminii in vid cu alte cuvinte, multimea de puncte in care poate ajunge lumina emisa in punctul din spatiu-timp corespunzator evenimentului sau mai tarziu;
• un con de lumina trecut, constituit din punctele aflate la distanta mai mica sau egala cu timpul scurs de la ele la evenimentul considerat inmultit cu viteza luminii in vid.

Conurile de lumina trecut si viitor ale unui punct din spatiu-timp sunt independente de observator.

Punctele din conul de lumina viitor apar oricarui observator ca fiind ulterioare (in timp) evenimentului considerat. Punctele din conul de lumina trecut apar oricarui observator ca fiind anterioare evenimentului considerat. Orice punct aflat in afara conului viitor si a conului trecut apare fata de unii observatori ca fiind anterior evenimentului considerat, fata de altii ca fiind ulterior evenimentului si fata de altii ca fiind simultan cu evenimentul considerat. Deoarece viteza luminii in vid este cea mai mare viteza de deplasare a unei actiuni, rezulta ca evenimentele din afara conurilor de lumina ale unui eveniment nu pot influenta si nu pot fi influentate de acel eveniment.

In teoria relativitatii generalizate, forma spatiu-timpului este influentata de prezenta materiei; ca urmare spatiu-timpul nu este o simpla „scena” in care se desfasoara fenomenele fizice, ci este influentata de acestea.

Sensul curgerii timpului (sageata timpului)

Exista fenomene reversibile, care se desfasoara la fel indiferent de sensul in timp, de exemplu miscarea punctelor materiale sub efectul gravitatiei. Daca am avea un film cu miscarea planetelor in jurul Soarelui si am rula filmul inainte si inapoi, nu am putea sa determinam care sens este inainte si care inapoi — derularea filmului inapoi nu ar prezenta fenomene incompatibile cu legile fizicii.

Pe de alta parte, exista fenomene ireversibile, in raport cu care timpul „curge” intr-un sens bine determinat, dispre trecut spre viitor: de exemplu, amestecarea spontana a doua lichide. Daca am avea un film reprezentand amestecarea unei picaturi de cerneala intr-un pahar cu apa si am rula filmul inainte si inapoi, am determina usor sensul corect — derularea inapoi prezinta fenomene contrare principiului al doilea al termodinamicii.

Conform ^[1], exista cel putin trei lucruri care definesc un sens al curgerii timpului:

• sensul termodinamic, sensul in care creste entropia
• sensul psihologic, determinat de faptul ca ne amintim trecutul si nu ne amintim viitorul
• sensul cosmologic, cel in care Universul este in expansiune

Sensul termodinamic si sensul psihologic sunt probabil indreptate in acelasi sens deoarece memorarea unei informatii in memoria unui calculator, si probabil si in memoria umana, este un proces in cursul caruia entropia creste.

Unitati de masura

Unitatea de masura pentru timp in Sistemul International de Unitati de Masura este secunda, avand simbolul „s”. Ea este definita pe baza proprietatilor atomului de cesiu. Definitia mai veche era facuta pe baza divizarii zilei solare medii in ore, minute si secunde; aceasta s-a utilizat pana la aparitia ceasurilor atomice, capabile sa puna in evidenta neuniformitatea rotatiei Pamantului.

Standarde de timp

Standardele de timp sunt reguli prin care unui moment de timp i se asociaza o notatie de tip „data si ora”. Exista:

• timpul terestru (TT), timpul perceput de un observator aflat pe suprafata geoidului terestru. Este succesorul timpului efemeridelor, definit insa corect in cadrul teoriei relativitatii.
• Geocentric Coordinate Time (TCG)
• Barycentric Coordinate Time (TCB)
• timpul atomic international (TAI), materializarea timpului terestru (TT) realizata prin corelarea unor ceasuri atomice
• timpul universal coordonat (UTC), definit pe baza TAI, dar cu o regrupare diferita a secundelor in minute pentru a-l mentine in sincronism cu rotatia Pamantului.

Timpul astronomic

In astronomie exista cateva notiuni de „timp”, numite colectiv timp astronomic. Acesti „timpi” sunt definiti ca unghiuri intre repere de pe Pamant si repere legate de alte corpuri ceresti. Ei sunt echivalenti cu timpul (fizic) doar in masura in care viteza de rotatie a Pamantului poate fi considerata constanta. Exista:

• timpul sideral, definit ca unghiul orar al punctului vernal. Este dependent de longitudinea observatorului considerat
• timpul solar adevarat, definit ca unghiul orar al Soarelui. Este dependent de observatorul considerat si curge neuniform in timpul anului (vezi ecuatia timpului).
• timpul solar mijlociu, definit pe baza timpului solar adevarat dar mediind variatiile din cursul anului
• timpul civil, definit ca timpul solar mediu minus 12 ore (pentru ca ziua sa inceapa la miezul noptii, nu la amiaza)
• timpul universal, definit ca timpul civil al Observatorului din Greenwitch.

Istoric

Dintotdeauna timpul a fost un subiect important al filozofiei, artei, poeziei si stiintei. Exista multe divergente in legatura cu insemnatatea lui, din acest motiv este dificil de oferit o definitie a timpului care sa nu duca la controvese. Multe domenii folosesc o definitie operativa in care unitatile timpului sunt definite. Academicienii au o opinie diferita in ceea ce priveste posibilitatea timpului de a fi masurat sau incadrat intr-un sistem de masurare.

Dictionarul Oxford defineste timpul ca fiind 'procesul indefinit si continuu al existentei evenimentelor in trecut, prezent si viitor, privit ca o unitate'. O alta definitie de dictionar standard este 'Un continuum nonspatial linear in care evenimentele apar intr-o ordine aparent ireversibila'.

Masurarea timpului a ocupat de asemenea savanti si tehnicieni, si a fost o prima motivatie in astronomie. Timpul este de asemenea o problema de o mare importanta sociala, avand valoare economica ('timpul inseamna bani'), precum si o valoare personala datorita timpului limitat din fiecare zi si din vietile noastre. Unitatile timpului au fost facute prin acord pentru a cuantifica durata evenimentelor si intervalele dintre ele. Evenimentele care se produc regulat si obiectele cu miscare aparent periodica au servit dintotdeauna ca standard pentru unitatile timpului. Exemple sunt aparenta miscare a soarelui pe cer si fazele lunii.

Orologii

Primul orologiu – 4000iChr. Acest orologiu era un fel de cadran solar rudimentar. Nu se stie exact daca a fost inventat de Chinezi sau Caledonieni.

Primul orologiu  - Clepsidra cu apa – a fost inventata in jurul anului 3000 iChr. Ea a cunoscut diferite perfectionari pentru reglare si indicarea orei.

Orologiul cu greutati si pendul 999. Este atribuit lui Gerbert d’Aurillac care a fost papa sub numele de Silvestru al II-lea. Acest orologiu a fost montat intr-un turn din Magdeburg – Germania.

Orologiile publice cu declansarea automata a ciocanului pentru indicarea orelor sunt semnalate in jurul anului 1256. In 1288 un astfel de orologiu a fost instalat pe cladirea Wesminster Hall din Londra.

Orologiu portabil cu resort – 1410 este atribuit arhitectului Florentin Brunelleschi (1377 - 1446). Aceasta inventie a permis oamenilor sa aiba la indemana un ceas, un orologiu.

In anul 1580 incepe productia industriala de ceasornice in Elvetia.

Orologiul cu pendul – 1657 – a fost pus la punct de astronomul olandez Christian Huygens (1629-1695). In 1675 tot olandezul a inventat oscilatorul balansier cu resort spiral, inventie care este utilizata si astazi.

Cronometrul 1736.Englezul George Graham (1673-1751) a folosit pentru prima data termenul cronometru pentru o mica pendula portativa. Tot el inventeaza in 1715 dispozitivul “mers cu piedica ancora”, iar in 1721 inventeaza mecanismul compensator cu mercur. Un alt ceasornicar englez John Harrison (1693-1776) a realizat primul cronometru de mare pe care l-a pus definitiv la punct in 1761.

Dispozitivul de rearmare automata (1755) a inventat de Beaumrachais (“parintele” lui Figaro). El a realizat pentru marchiza de Pompadur un ceas cu rearmare fara cheie. In acest scop folosea o lamela care rotea un inel montat pe cadran.

Arcul spiral cilindric pentru cronometre  - 1775 – a fost inventat de englezul John Arnold. In 1792 Louis Abraham Breguet (1747-1823) realizeaza un arc asemanator care se foloseste si astazi la ceasurile fine.

Secundarele la ceasul de buzunar a fost utilizate in jurul anului 1800 dupa modelul orologiilor unde au fost utilizate in 1755 de francezul Romilly.

Orologiul electric – 1840 - . Ii apartine lui Alexander Bain. In acelasi timp fizicianul Charles Wheastone inventa distributia electrica a orei plecand de la un orologiu central – “orologiu mama”.

Ceasul desteptator – 1847. Primul ceas desteptator modern ii apartine francezului Antoine Redier (1817 - 1892).

Diapazonul 1866. Ideea folosirii diapazonului ca rezonator pentru orologii a fost aplicata de ceasornicarul francez Louis Breguet (1804-1884). Breguet provenea dintr-o familie cu traditie in ceasornicarie, de origine elvetiana. El a perfectionat ideea si a fabricat un balansier la care miscarea era intretinuta de doi electromagneti alimentati de la pile electrice.

Ceasul bratara 1904 – Aceasta solutie este revendicata de doi inventatori: francezul Louis Cartier care a realizat in 1904 un ceas bratara pentru aviatorul Santos Dumont si elvetianul Hans Wilsdorf, fondatorul firmei Rolex. In 1910 Rolex a pus la punct cronometrul bratara.

Primele ceasuri bratara cu armare automata a fost brevetate in 1924 de H. Cutte si J. Haword.

Orologiul cu cuart – 1920. Cercetarile privind utilizarea cuartului ca rezonator pentru orologii au inceput in 1920. In 1929 ceasornicarul american Warren Alvin Marrison a pus la punct un orologiu functionand cu un rezonator de acest tip. Se reaminteste ca proprietatile  piezoelectrice ale cuartului au fost prezentate in 1817 de catre abatele Hauy, fondatorul cristalografiei, si demonstrate experimental de Pierre si Jacques Curie in 1880, ei descoperind piezoelectricitatea. Lucrarile in acest domeniu a fost continuate de Gabriel Lippmann care a obtinut premiul Nobel pentru fizica in 1908.

Ceasul cu cuart a fost realizat de inginerul elvetian Hetzel in 1954.

Ceasul etans – 1926. In 1926 Hans Wildorf si echipa sa de la Rolex au inceput primul ceas cu montura absolut etanse: Rolex Oyster (ermetic ca o stridie). El a fost testat cu succes cu ocazia traversarii innot a Canalului Minecii.

Orologiul vorbitor – precursorul robotului telefonic de astazi – a fost pus la punct de astronomul francez Ernest Benjamin Esclangon (1876-1954) care, la un simplu apel telefonic dadea ora exacta la fiecare 10 secunde.

Orologiul atomic 1948. Principiul orologiului atomic a fost enuntat de chimistul american Willard F. Libby (1908-1980) care a obtinut premiul Nobel pentru chimie in 1960. Orologiul atomic asigura o mare precizie si stabilitate: intr-un milion de ani doua orologii cu cesiu pot sa se declanseze cu 3 secunde. Astazi exista in lume 200 de orologii atomice legate intre ele prin satelit.

Ceasul de mana electric 1953 a fost realizat de francezul Lip.

Ceasul pentru scufundatori – 1953. Primul ceas numit “Submariner” a fost pus la punct de societatea elvetiana Rolex in 1953. Apoi in 1971 firma Sea-Dweller a realizat un ceas cu valva de heliu, garantat pana la adancimi de 610 m.

Ceasul cu cuart – 1969 – Primele ceasuri cu cuart au fost comercializate de firma Seiko in 1969 – 1970. Interesanta este si istoria acestei firme. In 1877 Kintaro Hattori a infiintat un mic atelier de reparat orologii care va deveni Seiko (in limba japoneza inseamna precizie). Timp de 15 ani atelierul a reparat orologii apoi a inceput sa fabrice propriile ceasuri deoarece sistemul de masurare a timpului la japonezi consta in impartirea zilei in unitati egale, de la rasaritul pana la asfintitul Soarelui. Aparitia cailor ferate a impus sistemul occidental de masurare a timpului. Hattori a murit in 1934 fara sa cunoasca succesul de mai tarziu al firmei pe care a infiintat-o.

Ceasul cu cuart fara baterie 1988. Dupa 1988 bateriile au fost inlocuite printr-un dinam, un generator hiperminiaturizat: sistemul Jean d’Eve, Elvetia, apoi sistemul AGS Seiko si in sfarsit sistemul kinetic lansat tot Seiko in 1995.

La toate aceste inventii pionier se pot adauga mii de inventii derivate aparute in scopuri bine definite: pentru a-i invata pe copii sa citeasca ceasul si ajungand la ceasul pentru nevazatori care spune in cuvinte ora si minutul.