Измерение пространства и времени

Для естественных наук важно уметь определять численные характеристики пространства и времени — расстояние между объектами и длительность процессов, и описывать те их свойства, которые поддаются экспериментальному изучению.

Измерение расстояний. Измерить расстояние между двумя объектами — значит сравнить его с эталоном. До недавнего времени в качестве эталона использовалось тело, сделанное из твердого сплава, форма которого слабо изменялась при изменении внешних условий. В качестве единицы длины был выбран метр — отрезок, сравнимый с размерами человеческого тела. В большинстве случаев эталон не укладывается целое число раз на длине измеряемого отрезка. Поэтому оставшаяся часть измеряется при помощи 1/10, 1/100, 1/1000 ит. д. эталона. Считалось, что такую процедуру можно продолжать до бесконечности, в результате чего получилось бы точное значение длины, выражаемое бесконечной десятичной дробью.

На практике многократное деление исходного эталона невозможно. Поэтому для повышения точности измерения и измерения малых отрезков потребовался эталон существенно меньших размеров, в качестве которого в настоящее время используются стоячие электромагнитные волны оптического диапазона. Однако в природе существуют объекты, значительно меньшие по размерам длин волн оптического диапазона: многие молекулы, атомы, элементарные частицы. При их измерении возникает принципиальная проблема: объекты, размеры которых меньше длины волны электромагнитного излучения, перестают отражать свет по законам геометрической оптики и, следовательно, перестают восприниматься в форме привычных зрительных образов. Для оценки размеров таких мелких объектов свет заменяют потоком каких-либо элементарных частиц. Величина объектов оценивается по так называемым сечениям рассеяния, определяемым отношением числа частиц, изменивших направление своего движения, к плотности падающего потока. Наименьшим расстоянием, известным в настоящее время, является характерный размер элементарной частицы: 10 с степени -15 м. Говорить о меньших размерах бессмысленно.

При измерении расстояний, значительно превышающих 1 м, пользоваться эталоном длины тоже оказывается неудобным. Для измерения расстояний, сравнимых с размерами Земли, применяют методы триангуляции и радиолокации. Метод триангуляции состоит в том, что, зная величины одной стороны треугольника и двух прилегающих к ней углов, можно рассчитать величины двух других сторон. Суть метода радиолокации состоит в измерении времени задержки отраженного сигнала, скорость распространения и время отправления которого известны. Однако для очень больших расстояний, например для измерения расстояний до других галактик, указанные методы оказываются неприменимыми, так как отраженный сигнал слишком слаб, а углы, под которыми виден объект, практически неизменны. На очень больших расстояниях наблюдаемыми оказываются только самосветящиеся объекты (звезды и их скопления). Расстояние до них оценивается исходя из наблюдаемой яркости. В настоящее время наблюдаемая часть Вселенной имеет размеры 10 в 24 степени м.
Измерение интервалов времени. Измерение длительности процесса означает сравнение его с эталоном. В качестве последнего удобно выбрать какой-либо периодически повторяющийся процесс. Долгое время в качестве эталона использовались колебания маятника. За единицу измерения времени выбрали секунду — интервал, примерно равный периоду сокращения сердечной мышцы человека.

Для измерения значительно более коротких периодов времени возникла необходимость в новых эталонах. В их роли выступали колебания кристаллической решетки и движение электронов в атоме. Еще меньшие периоды времени можно измерить, если сравнивать их со временем прохождения света через заданный промежуток. Поэтому наименьшим осмысленным интервалом является время прохождения света через минимально возможное расстояние.

При помощи маятниковых часов возможно измерение временных интервалов, значительно превосходящих 1 с, но и здесь возможности метода небеспредельны. Времена, сравниваемые с возрастом Земли (10 в 17 степени), обычно оцениваются по полураспаду атомов радиоактивных элементов.

По мнению большинства современных естествоиспытателей, максимальным промежутком времени, о котором имеет смысл говорить, является возраст Вселенной, оцениваемый как период 10 в 18 степени с.

Началом существования нашего мира принято считать Большой взрыв, который произошел в очень малой области пространства, в результате чего возник наблюдаемый сейчас мир, представляющий собой совокупность объектов, разлетающихся от начальной точки. События, происходившие до Большого взрыва, никак не влияют на настоящее, и, следовательно, говорить осмысленно о них невозможно.