miniatura|Deu segons en un rellotge Montinari Milano El temps és un concepte físic que tots experimentem quotidianament, però que resulta difícil de definir formalment. Es pot partir de la noció que els esdeveniments físics tenen lloc un darrere l'altre, i que el temps és l'escala en què aquests esdeveniments tenen lloc. Es pot percebre o mesurar l'ordre dels esdeveniments en el temps, i també la quantitat de temps que hi ha entre dos esdeveniments. Hi ha, de fet, dues maneres de fer-ho: segons John McTaggart Ellis McTaggart, es pot descriure utilitzant «sèries A» i termes com ara «avui» o «fa deu anys», en què el punt de partida és el present; o bé amb les «sèries B», que utilitzen termes com ara «abans de» o «durant», prenent referències més objectives i fixes.
La unitat de temps del sistema internacional és el segon. El sistema d'hores i minuts utilitzat habitualment en la vida quotidiana es basa en el segon: un minut són 60 segons, i una hora 60 minuts. A un altre nivell, el calendari s'estructura en dies, mesos, i anys.
El temps en física Des de l'època de Newton fins a la reinterpretació profunda d'Einstein dels conceptes físics associats amb el temps i l'espai, el temps es considerava que era «absolut» i fluïa «uniformement» (fent servir les paraules de Newton) per a tots els observadors.Herman M. Schwartz, Introduction to Special Relativity, McGraw-Hill Book Company, 1968, hardcover 442 pages, see (1977 edition), p. 10-13 La ciència de la mecànica clàssica es basa en aquesta idea newtoniana de temps.
Einstein, en la seva teoria especial de la relativitat,A. Einstein, H. A. Lorentz, H. Weyl, H. Minkowski, The Principle of Relativity, Dover Publications, Inc, 2000, softcover 216 pages, , See p. 37-65 for an English translation of Einstein's original 1905 paper. va partir del postulat que la velocitat de la llum és finita i constant per a tots els observadors. Aquest postulat, juntament amb una definició raonable del que significa que dos esdeveniments siguin simultanis, exigeix que les distàncies es contraguin i els intervals de temps es dilatin per a esdeveniments associats amb objectes en moviment relatiu a l'observador que fa les mesures, respecte del que mesura un observador que no es mou respecte dels objectes.
Aquest resultat es va poder posar a prova amb l'experiment de Rossi-Hall, en què es mesura la vida mitjana dels muons. La vida mitjana mesurada quan els muons es mouen a diferents velocitats respecte del laboratori s'allarga d'acord amb la dilatació del temps prevista en la teoria.
Mecànica clàssica En mecànica clàssica, Newton explica el concepte de temps tot dient:
Aquest concepte és anterior a Newton; va ser Galileo Galilei en el seu llibre Dialogo Sopra i Due Massimi Sistemi del Mondo,(Italice) Galileo Galilei, "Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo", 1632; Wikifons Italica qui va plantejar les mesures que farà un observador O₂ sabent les mesures que ha fet un altre observador O1 i la velocitat v relativa entre ells. Si cada observador té un sistema de coordenades cartesianes, mesurant la posició dels objectes en l'eix x i suposant que la velocitat relativa entre els dos és també en l'eix x, si al començament (t1 = t₂ = 0) els sistemes de coordenades dels dos observadors tenen els orígens coincidents (x1 = x₂), llavors si en un moment t1 l'observador O1 observa un objecte en la posició x1, l'observador O₂ l'observarà en:
Una conseqüència immediata d'aquestes fórmules és que la velocitat d'un objecte que mesura l'observador O₂ és la que mesura l'observador O1 més la velocitat relativa entre els dos observadors.
Aquest plantejament, conjuntament amb les lleis de Newton, porten a un sistema que funciona força bé per a descriure els fenòmens diaris de l'experiència de la majoria de les persones.
Física moderna El 1810, Francesc Aragó va intentar sense èxit mesurar les diferències entre les velocitats de la llum provinent de diferents estels a diferents hores del dia i en diferents èpoques de l'any. Segons la transformació de Galileu, pel cap baix haurien de diferir en la velocitat en què la Terra s'apropa o s'allunya dels estels (a banda de les diferències de velocitat dels diferents estels entre si). A partir d'aquest resultat negatiu, va dissenyar instruments adequats per poder fer una mesura directa de la velocitat de la llum amb prou precisió per a apreciar les diferències entre la velocitat quan l'observador s'apropa a l'emissor i quan se n'allunya.
Emprant els instruments dissenyats per Aragó i més tard d'altres de perfeccionats es va fer aquesta mesura. El 1849, Fizeau,Fizeau, H. L., «Sur une experience relative a la vitesse de propogation de la lumiere», Comptes Rendus 29, 90-92, 132, 1849 més tard Léon Foucault el 1862Foucault, J. L., «Determination experimentale de la vitesse de la lumiere: parallaxe du Soleil», a Comptes Rendus 55, 501-503, 792-796, 1862 i Michelson el 1878Michelson, A. A., «Experimental Determination of the Velocity of Light», Proceedings of the American Association for the Advancement of Science 27, 71-77, 1878
Les mesures experimentals tenien cada cop més precisió i sempre donaven el mateix resultat de l'experiment d'Aragó del 1810: la velocitat de la llum era constant i independent de la velocitat relativa entre l'emissor i el receptor.
Per altra banda, les lleis de l'electromagnetisme desenvolupades al semblaven contradir les lleis de Newton, perquè la força entre dues càrregues no és la mateixa si la mesura un observador en repòs respecte de les càrregues que si ho fa un observador en moviment.
Lorentz va trobar que aquest resultat s'obté de manera natural, si per determinar les mesures que fa un observador en moviment, en comptes de les fórmules de Galileu es fa servir el que avui s'anomena transformació de Lorentz:
Més tard, Einstein va postular que les lleis de Newton s'havien de complir per a tots els observadors i a partir d'aquí va concloure que s'havia d'acceptar que altres magnituds que en mecànica clàssica es consideraven constants i independents de l'observador també depenien de la velocitat relativa entre l'observador i l'objecte, per exemple la massa o la força. En el cas de la força, la diferència coincideix exactament amb les forces magnètiques i s'aconsegueix l'acord entre les lleis de Newton i les de l'electromagnetisme.
Espaitemps El temps ha estat històricament molt relacionat amb l'espai, els dos junts comprenen l'espaitemps de la relativitat especial d'Einstein i la relativitat general. Segons aquestes teories, el concepte de temps depèn del marc de referència espacial de l'observador, i la percepció humana, així com la mesura d'instruments com rellotges són diferents per als observadors en moviment relatiu. El passat és el conjunt d'esdeveniments que pot enviar senyals de llum per a l'observador, el futur és el conjunt d'esdeveniments als quals l'observador pot enviar senyals de llum.
La fletxa del temps
El temps sembla tenir una direcció —el passat és darrere, fix i incommutable, mentre que el futur és endavant i no és necessàriament fix. Tanmateix, la majoria de les lleis de la física no proporcionen aquesta fletxa de temps. Les excepcions inclouen la segona llei de la termodinàmica, que manifesta que l'entropia ha d'augmentar gradualment; la fletxa cosmològica de temps, que apunta cap a fora del big-bang, i la fletxa radiativa de temps, provocada per la llum que només viatja endavant en el temps. En física de partícules, hi ha també la fletxa feble de temps, a partir de la simetria CPT, i també la mesura en mecànica quàntica.
Temps quantitzat La quantització del temps és un concepte hipotètic. En les teories físiques establertes modernes (el model estàndard de partícules i interaccions i la relativitat general) no es quantitza el temps.
El temps de Planck (~ 5.4 × 10−44 segons) és la unitat de temps en el sistema d'unitats naturals conegudes com a unitats de Planck. Es creu que les teories físiques establertes fallen en aquesta escala de temps, i molts físics esperen que el temps de Planck podria ser la unitat més petita de temps que mai es podria mesurar, fins i tot en principi. Hi ha teories físiques provisionals que descriuen aquesta escala de temps; vegeu per exemple: teoria de la xarxa d'espín.
El temps en mecànica relativista miniatura|Observant esdeveniments En mecànica relativista, la mesura del transcurs del temps depèn del sistema de referència on està situat l'observador i del seu estat del moviment, és a dir, diferents observadors mesuren diferents temps transcorreguts entre dos esdeveniments casualment connectats. Per tant, la duració d'un procés depèn del sistema de referència on es trobi l'observador. En tot cas, cada observador farà una classificació dels esdeveniments en: passats, futurs i esdeveniments ni passats ni futurs.
D'acord amb la teoria de la relativitat, fixats dos observadors situats en diferents marcs de referència, dos successos A i B dintre de la tercera categoria (esdeveniments ni passats ni futurs), poden ser percebuts pels dos observadors conjuntament, o pot ser que A passi «abans» que B per al primer observador mentre que B es produeixi «abans» que A per al segon observador. En aquestes circumstàncies, no existeix, per tant, cap possibilitat d'establir una noció absoluta de simultaneïtat independent de l'observador. Segons la relativitat general, el conjunt dels successos dintre de la categoria (3) és un subconjunt tetradimensional topològicament obert de l'espaitemps. Aquesta teoria només sembla funcionar amb la rígida condició de tan sols dos marcs de referència.
Quan s'agrega un marc de referència addicional, la teoria de la relativitat queda invalidada: l'observador A a la Terra percebrà que l'observador B viatja a major velocitat dins d'una nau espacial girant al voltant de la terra a 7.000 quilòmetres per segon. L'observador B notarà que la dada de temps que dona el seu rellotge s'ha desaccelerat, i conclourà que el temps s'ha «dilatat» per causa de la velocitat de la nau. Un observador C localitzat fora del sistema solar notarà que tant l'observador de la Terra com l'astronauta girant al voltant de la Terra, estan viatjant simultàniament —la nau espacial i el planeta terra— a 28.000 quilòmetres per segon al voltant del Sol. La conclusió sobre el comportament del rellotge a la nau espacial és que aquest rellotge està funcionant malament, perquè no va ser calibrat ni provat per a aquests nous canvis en el seu ambient. Aquesta conclusió està recolzada pel fet que no hi ha cap prova que mostri que el temps és objectiu.
El temps i el big-bang Stephen Hawking, en particular, ha abordat una connexió entre el temps i el big-bang. En Breu història del temps, entre altres llocs, Hawking diu que fins i tot si el temps no va començar amb el big-bang i no hi va haver un altre període abans del big-bang, cap informació dels esdeveniments seria accessible per a nosaltres, i res del que va succeir aleshores té cap efecte sobre el temps marc actual. De vegades, Hawking ha declarat que el temps, en realitat, va començar amb el big-bang, i que les qüestions sobre el que va passar abans del big-bang no tenen sentit.
Els científics han arribat a algun acord sobre la descripció dels esdeveniments que van succeir 10^-35 segons després del big-bang, però estan d'acord, en general, que les descripcions del que va passar abans d'un temps de Planck (5 × 10^-44 segons) després del big-bang probablement seguirà sent pura especulació.
Mesura del temps