В классической механике Ньютона время рассматривается как абсолютная величина, однородная и независимая от пространства. Каждое событие имеет определённую координату во времени, которая одинакова для всех наблюдателей. Эта концепция предполагает существование универсального “часового потока”, который течёт независимо от материальных процессов. Однако с появлением теории относительности Эйнштейна фундаментальные представления о времени претерпели коренные изменения.
В специальной теории относительности время перестаёт быть универсальным. Оно становится относительным и зависит от движения наблюдателя. Основной принцип заключается в том, что скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчёта. Следствием этого является эффект замедления времени: часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут медленнее по сравнению с часами, находящимися в покое относительно него. Математически это выражается через релятивистский фактор Лоренца:
$$ \Delta t' = \frac{\Delta t}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} $$
где Δt — промежуток времени в системе покоя, Δt′ — промежуток времени в движущейся системе, v — скорость движения, c — скорость света.
В общей теории относительности время приобретает ещё более сложный характер. Оно интегрировано с пространством в единый четырёхмерный пространственно-временной континуум, где геометрия пространства зависит от распределения массы и энергии. Вблизи массивных объектов, таких как планеты или чёрные дыры, наблюдается гравитационное замедление времени: часы, находящиеся вблизи массивного тела, идут медленнее, чем часы на удалении. Это явление экспериментально подтверждено и используется, например, при корректировке работы глобальной системы позиционирования (GPS).
В квантовой механике традиционная концепция времени как параметра, идентичного для всех наблюдателей, сохраняется в рамках шредингеровского уравнения, где время выступает в роли внешнего параметра, а состояние системы описывается волновой функцией Ψ(r, t). Однако при переходе к квантовой теории гравитации и попытке объединения квантовой механики с общей теорией относительности появляется концептуальная проблема: пространство и время могут обладать квантовыми флуктуациями, что ставит под сомнение возможность однозначного определения временного параметра.
В некоторых подходах к квантовой гравитации, например в петлевой квантовой гравитации, предполагается, что время может быть дискретным, а его поток — не непрерывным, а состоящим из фундаментальных “квантов времени”. Это резко отличается от классической модели и имеет глубокие философские и физические последствия: в таких теориях фундаментальное разделение на “прошлое”, “настоящее” и “будущее” теряет традиционный смысл.
Важнейшей характеристикой времени в физике является его направленность. В макроскопических системах время проявляется через стрелу времени, асимметрию, связанную с увеличением энтропии согласно второму закону термодинамики. Микроскопические законы физики, такие как уравнения движения Ньютона или уравнение Шредингера, симметричны относительно обращения времени. Но на макроскопическом уровне процессы становятся необратимыми: тепло переходит от горячего тела к холодному, газ рассеивается в объёме, а сложные структуры распадаются.
Это противоречие между микроскопической симметрией и макроскопической асимметрией времени активно исследуется в современных физических теориях. Одной из попыток объяснения является рассмотрение космологического начала времени, когда вселенная начиналась с состояния низкой энтропии, и стрелка времени определяется её увеличением по мере расширения вселенной.
Современные космологические модели интегрируют время как одну из координат пространства-времени. В стандартной модели Большого Взрыва время начинает течь с момента сингулярности, где физические законы в привычной форме перестают работать. Наблюдаемое расширение Вселенной даёт дополнительную космологическую “метку времени”, позволяя определить относительные эпохи: планковскую, инфляционную, формирование галактик и звёзд.
Космологическое время тесно связано с кривизной пространства-времени и энергетическим содержанием вселенной. Теории инфляции, тёмной энергии и квантовой космологии предполагают, что понятие времени может изменяться в зависимости от масштабов и динамики пространства-времени. В некоторых гипотезах, например, в теориях циклической вселенной, стрелка времени может иметь сложную структуру, а не быть линейной.
Прецизионные эксперименты на основе атомных часов позволяют проверять предсказания теории относительности с высокой точностью. Разность хода часов, размещённых на разных высотах или движущихся с различной скоростью, согласуется с релятивистскими расчётами. Современные оптические часы достигают точности порядка 10−18, что позволяет измерять замедление времени даже при разнице высот в сантиметры.
Развитие квантовой метролоии также открывает путь к использованию времени как фундаментальной величины для тестирования законов физики, проверки гипотез о вариации фундаментальных констант и исследованию квантовых свойств гравитации.