В классической механике Ньютона время трактуется как абсолютная величина, существующая независимо от наблюдателя и материальных процессов. Оно течёт равномерно и однозначно во всех точках пространства, не влияя на движение тел и не завися от их свойств. В этом подходе время является универсальной шкалой, на которой измеряются изменения физических систем. Это позволяет формулировать законы движения с использованием единого параметра — t, непрерывного и монотонно возрастающего.
Основная идея Ньютона заключается в разделении мира на пространство и время, где пространство — это фиксированная сцена, а время — универсальный счётчик изменений. Законы механики, такие как второй закон Ньютона F = ma, применимы в любой системе отсчёта, если учитывать, что время течёт одинаково во всех них.
Однако концепция абсолютного времени сталкивается с трудностями при анализе света и электромагнитных процессов. Уже в XIX веке наблюдения указывали на константность скорости света, что ставило под вопрос независимость времени от движения наблюдателя.
Развитие электродинамики Максвелла показало, что световые волны распространяются с фиксированной скоростью c в вакууме, независимо от движения источника. В рамках ньютоновской механики это представляло парадокс: если время абсолютное, а пространство фиксировано, то скорости должны складываться по законам Галилея, что не согласуется с опытом.
Попытки объяснить этот парадокс через гипотезу эфира (неподвижной среды распространения световых волн) не увенчались успехом. Эксперимент Майкельсона–Морли (1887 года) подтвердил отсутствие зависимости скорости света от движения Земли, что стало критическим аргументом против классической концепции времени.
Эйнштейн в 1905 году предложил специальную теорию относительности (СТО), в которой время перестало быть абсолютным. Основные положения включают:
Эти положения приводят к тому, что интервалы времени зависят от движения наблюдателя. В частности, введено понятие собственного времени τ, измеряемого в системе, где событие происходит на месте наблюдателя. Для движущегося наблюдателя время течёт иначе:
$$ \Delta t = \frac{\Delta \tau}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} $$
где v — скорость движения наблюдателя относительно системы отсчёта. Этот эффект получил название замедления времени.
Таким образом, время перестаёт быть универсальной мерой, становясь зависимым от системы отсчёта, что радикально меняет представление о причинно-следственных связях и симметрии физических законов.
СТО объединяет пространство и время в четырёхмерное пространство Минковского, где события описываются координатами (x, y, z, ct). В этом континууме вводится понятие инвариантного интервала:
s2 = c2Δt2 − Δx2 − Δy2 − Δz2
Интервал s2 остаётся постоянным для всех инерциальных наблюдателей, что обеспечивает согласованность законов физики при преобразованиях Лоренца. Этот подход позволяет рассматривать время и пространство как взаимосвязанные величины, а не как независимые параметры.
Развитие общей теории относительности (ОТО) в 1915 году показало, что время не только зависит от скорости наблюдателя, но и от гравитационного поля. Сильные гравитационные поля замедляют течение времени, что описывается метрикой пространства-времени gμν. Для статического сферически симметричного поля (метрика Шварцшильда) время наблюдателя на удалении r связано с временем на бесконечности:
$$ d\tau = \sqrt{1 - \frac{2GM}{c^2 r}} \, dt $$
где G — гравитационная постоянная, M — масса источника, r — радиальная координата. Этот эффект проявляется в гравитационном замедлении времени и подтверждается экспериментально, например, при измерениях с использованием атомных часов на спутниках GPS.
ОТО демонстрирует, что время является динамической величиной, подчиняющейся кривизне пространства-времени, а не фиксированной «строкой» Ньютоновского времени.
Эти изменения не только преобразили физическую картину мира, но и заложили основу для современной космологии, астрофизики и высокоточных технологических систем, где точность измерения времени напрямую связана с гравитационными и релятивистскими эффектами.