Почему время замедляется от гравитации и скорости света?

Весной 1905 года Альберт сел на трамвай в нескольких километрах от башни Зитглогге – роскошной башни с часами, которая возвышается над Берном – по дороге домой. Эйнштейн, в то простой клерк, завершил работу, и ехал в трамвае, думая о истинах Вселенной в свободное время.

И один из его мысленных экспериментов, рожденных в том самом трамвае, произвел революцию в современной физике.

Эйнштейн представлял, что произойдет, если трамвай будет ехать со скоростью света. Смотря на башню с часами Эйнштейн понял, что если он будет путешествовать со скоростью 300 000 километров в секунду, стрелки часов, которые так торжественно двигались, будут казаться полностью застывшими.

В то же время Эйнштейн знал, что, если он вернется на башню с часами, их стрелки будут перемещаться обычным образом – время будет идти своим чередом. Однако для Эйнштейна в трамвае время замедлилось.

Он пришел к выводу, что чем быстрее вы будете двигаться в пространстве, тем медленнее вы будете двигаться во времени. Как такое вообще возможно?

Башня Zytglogge, Берн, Швейцария.
Изображение: Даниэль Швен / Wikimedia Commons)

Дилемма Эйнштейна

На Эйнштейна сильно повлияли работы двух великих физиков. Во-первых, были законы движения, обнаруженные его кумиром, Ньютоном, а во-вторых, были законы электромагнетизма, установленные Максвелом.

Однако две теории были противоречивыми. Максвелл постулировал, что скорость электромагнитной волны, такой как свет, фиксирована – невероятные 300 000 километров в секунду. Он утверждал, что это был фундаментальный закон Вселенной.

В то время как закон Ньютона подразумевал, что скорости всегда относительны. Скорость движения машины со скоростью 40 километров в час составляет 40 километров в час относительно стационарного наблюдателя, но только 20 километров в час относительно автомобиля, движущегося рядом с ним со скоростью 20 км/ч.

Или, 60 км / ч, если тот же автомобиль ехал в противоположном направлении. Эта концепция относительной скорости несовместима с очевидным фундаментальным фактом Максвелла при применении к скорости света. Это представляло для Эйнштейна тяжелую дилемму.

Противоречие заставило Эйнштейна сделать ошеломляющее, но в то же время одно из самых новаторских утверждений в истории физики — коллокацию утверждений, что, конечно же, не удивительно.

Чтобы понять противоречие и, следовательно, почему время замедляется, рассмотрим еще один гениальный мысленный эксперимент, один из лучших у Эйнштейна.

Он представил себе человека на платформе станции, по обе стороны от которого ударяют две молнии. Человек, стоя прямо посередине этих двух точек, наблюдает за полученными лучами света с обеих сторон одновременно.

Тем не менее, все становится странным, когда в то же время другой человек в поезде просматривает эту сцену, когда он проезжает мимо нее со скоростью света. Согласно законам движения, свет от молнии ближе к поезду достигнет человека раньше, чем свет от молнии дальше от поезда.

Измерение скорости света, производимого обоими людьми, будет отличаться по величине. Но как это возможно, если вспомнить, что скорость света, по мнению Максвелла, должна быть постоянной, независимо от движения наблюдателя – так называемый “фундаментальный” закон Вселенной?

 

Чтобы компенсировать это расхождение, Эйнштейн предположил, что само время замедляется, так что скорость света оставалась постоянной!

Время для человека в поезде проходило медленнее относительно времени для человека на платформе. Эйнштейн назвал это расширением времени.

Гравитационное время

Эйнштейн назвал свою теорию специальной теорией относительности. Это было что-то особенное, потому что оно касалось постоянных скоростей.

Чтобы примирить ее с реальным миром, где объекты все время ускорялись и замедлялись, ему нужно было исследовать последствия своей теории, когда речь шла об ускорении.

Эта попытка обобщить и объяснить все явления привела его к открытию взаимосвязи между временем и гравитацией; он назвал эту новопринятую теорию гравитации «Общая теория относительности».

Ньютон считал, что поток времени был как стрела; он двигался непоколебимо только в одном направлении – вперед. Эйнштейн в том трамвае предположил, что время изменяется обратно пропорционально скорости. Фактически, Эйнштейн утверждал, что время дополняло пространство, в гибкой четырехмерной модели, на которой разворачивались события Космоса.

Он назвал эту модель пространством-временем (пространственно-временной континуум). Когда Эйнштейн опубликовал свою работу, он получил реакцию, которую можно было бы ожидать, когда будет опубликована такая феноменальная работа – недоверие.

Согласно общей теории относительности, материя растягивает и сжимает ткань пространства-времени, так что объекты таинственным образом не тянутся к центру Земли, а скорее отталкиваются вниз деформированным пространством над ними.

Имитируя наклон, кривизна пространства-времени ускоряет объекты, которые движутся вниз, хотя скорость этого ускорения не одинакова во всех точках. Сила тяжести сильнее по отношению к поверхности Земли, где кривизна более интенсивна, чем на ее окраинах.

Хотя это и не совсем корректно, аналогия батута – самый простой способ объяснить деформирование пространства-времени из-за присутствия большой массы.

Если сила тяжести возрастает по мере продвижения вниз, то свободный объект падает быстрее в точке на поверхности, скажем, точке B, чем на большей высоте, скажем, точке А.

Для объекта в свободном падении, согласно специальной теории относительности, время в B должно проходить относительно медленнее, чем оно будет проходить в A, потому что скорость объекта быстрее в точке B.

Что такое время?

Какое время тогда является правильным? Ну, ни одно из них. Эйнштейн выяснил, что нет абсолютного времени. Время является относительным в зависимости от системы сил, которым подчиняется, формально известной как система отсчета. Время, идущее в вашем собственной системе, известно как правильное время.

Если законы движения должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, независимо от их движения, то время должно замедляться, так что чем быстрее вы двигаетесь, тем медленнее ваши часы работают относительно других часов.

Это то, что Энн Хэтэуэй упоминала в фильме “Интерстеллар”, когда она сказала Мэтью Макконахи, после посадки на далекую планету возле черной дыры: “Один час на этой планете равен семи годам на Земле.”

Еще раз обратимся к мысли Эйнштейна в трамвае. Является ли появление более медленных часов ограничением нашего примитивного сознания, или время действительно замедляется? И что означает замедление времени? Капризность времени заставляет нас спросить – а что такое само время? Это не простой вопрос –  понятие времени озадачивало философов и физиков с древности.

Основной функцией времени является хронологическое отслеживание событий. Однако не считая последних 400 лет люди определяли время, исходя из предположения, что вокруг нас движутся и звезды, а не вращается вокруг Солнца.

Несмотря на неверное основание для своего вывода, “время” все равно работало хорошо. Это происходило так, потому что дни и времена года повторялись предсказуемо, а когда у вас есть что-то, что повторяется предсказуемо, у вас есть механизм хронометража.

использовал рекурсивный характер такого механизма для вычисления движения. Описание движения было бы невозможно без какой-либо ссылки на время. Однако это время никогда не было абсолютным.

Даже когда Ньютон формулировал законы движения, он использовал понятие времени, в котором двое часов не идут с абсолютным, независимым временем, а, скорее, они зависимы друг с другом. Синхронизация – причина, по которой мы построили очень сложные и точные атомные часы.

Такое понятие времени строится на одновременности или критическом совпадении двух событий, таких как прибытие поезда и уникальное выравнивание стрелок часов, когда поезд прибывает на станцию.

Теория Эйнштейна утверждает, что эти совпадения должны зависеть от того, как человек движется. Если два наблюдателя на платформе и в поезде не могут договориться о том, что происходит одновременно, они не могут договориться о том, как течет само время!

Для понимания влияния движения рассмотрим простейший механизм хронометража. Представьте себе хронометражный аппарат, состоящий из фотона, который отражается взад и вперед между двумя удаленными зеркалами.

Давайте согласимся, что одна секунда проходит каждый раз, когда фотон отражается. Теперь повесьте двое таких часов в точках A и B выше и на поверхности Земли (обсуждалось в предыдущем разделе), и пусть они измеряют время, когда свободно падающий объект пролетает мимо них.

Свободно падающий объект измеряет время, проходящее в его собственной системе отсчета с аналогичными часами. Что они измеряют?

Наблюдение отражения фотона между двумя движущимися зеркалами аналогично наблюдению теннисного мяча, прыгающего в движущемся поезде.

Несмотря на то, что мяч прыгает перпендикулярно для кого-то в поезде, для неподвижного наблюдателя вне его, мяч отскакивает триангулярно (в треугольниках).

Когда устройство движется вперед, фотон после начала движения, подобно шару, перемещается на большее расстояние после его отражения. Поэтому наше измерение времени исказилось! Более того, чем быстрее движется аппарат, тем дольше фотон отражается, тем самым растягивая длительность секунды!

Вот почему течение времени в точке B оказывается медленнее, чем в точке A (вспомните, как из-за силы тяжести объект падает быстрее в точке B, чем в точке A). Эта графика показывает треугольное движение фотона и, следовательно, задержку времени.

Конечно, разница бесконечно мала. Разница между временем, измеренным часами на вершинах гор и на поверхности Земли, составляет наносекунды. Тем не менее, открытие Эйнштейна – не что иное, как великое событие.

действительно препятствует потоку времени, что означает, что чем более массивный объект, тем медленнее течет время в его окрестностях.

Замедление времени влияет на каждый процесс, независимо от того, зависит ли оно от простейшего электромагнитного явления или сложной комбинации электромагнетизма и законов движения Ньютона.

Общность универсальности относительности обеспечивает это. На самом деле даже биологические процессы, а следовательно, и время, изменяется. Да … и наша голова немного старше наших ног!

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

5 2 голосов
Рейтинг
Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
15 Комментарий
Первые
Последние Популярные
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Toxa
Toxa
Гость
1 год назад

скорость=расстояние/время. Многое из того, что вы написали, рушится точкой наблюдения. Вы сравниваете время и скорость: выберите точку измерения скорости! Сколько вы пролетите? Одна секунда на поверхности Земли или час при скорости 300 000 км/сек? Какая разница относительно принятых земных единиц?! Её нет. В Сочи есть Ахштырская пещера, где, по утверждению учёных, жили древние люди. А сторожил говорит, что приехали учёные, начали ковырять, нашли кости, написали научную статью о быте древних, получили деньги. Только вот нюанс есть: выше по склону есть промоина ручья под землю, куда иногда проваливаются и проваливались животные… А куда их кости выносило? Давно церковь говорила, что Бог… Подробнее »

Дмитрий
Дмитрий
Гость
Ответить на  Toxa
1 год назад

Сейчас GPS работает с помощью атомных часов и теории относительности Эйнштейна для того, чтобы компенсировать разницу во времени на разных высотах. Людям свойственно отвергать то, что они не могут представить.

сеня
сеня
Гость
Ответить на  Дмитрий
1 год назад

не соглашусь, т.к., GPS передает сигнал, соответственно здесь необходимо учитывать скорость сигнала и расстояние на которое он передается, эта формула работает для электромагнитных сигналов импульсов датчиков и так далее, но никак не может быть доказана на биологических часах организмов, то есть, если вы со скоростью света улетите куда то в другую галактику пробудете там скажем год и вернетесь на землю, при условии сопоставимых биологических атмосферных данных, при возвращению на землю для всех как и для вас пройдет одинаковое количество лет, вы не прилетите сюда молодым к своим старым правнукам

Ser Ketus
Участник
Ответить на  Дмитрий
1 год назад

Ой ли, вы наверное представили, а надо бы для начала ознакомиться с проблемами GPS, там в основном инженерные решения, которые скорее опровергают теорию относительности Эйнштейна, ем наоборот, или приведите примеры…

Вася
Вася
Гость
Ответить на  Toxa
6 месяцев назад

Невнимательно читаете. Никто и не спорит, что при нахождении на одном небесном теле, время будет ощущаться для всех примерно одинаково: как сейчас мы все и живём на Земле под влиянием её гравитационного поля. Рассмотрим такой пример: люди колонизировали планету в другой галактике очень далекой от нашей планеты. Я уверен, что и люди на земле, и люди на другой планете будут ощущать секунду ровно той же секундой, но совершенно другой вопрос как будет соотноситься время на Земле и на той планете, ведь оба этих небесных тела: а) находятся на большом расстоянии друг от друга; б) имеют разные скорости перемещения в пространстве;… Подробнее »

Ser Ketus
Участник
1 год назад

Вся эйнштейновская физика основана на мысленных экспериментах, но он хоть мыслил, а “физики” верят, хоть один бы задумался,наблюдатель, что видит на платформе?

OldProger
OldProger
Гость
Ответить на  Ser Ketus
1 год назад

Присоединиться к обсуждению…

OldProger
OldProger
Гость
Ответить на  Ser Ketus
1 год назад

Уже давно “эйнштейновская физика” подтверждается реальными экспериментами, в том числе, и экспериментами по измерению гравитационного замедления времени.

Biowolfxx
Редактор
Ответить на  OldProger
11 месяцев назад
Last edited 10 дней назад by Администратор
Димон
Димон
Гость
7 месяцев назад

Представим, что я двигаюсь со скоростью света, а зрение – это отражение света от обьекта. Значит, что я никогда не увижу как двигается этот обьект, если буду от него удаляться, свет попросту не дойдет до меня и я буду наблюдать только неподвижную картинку того обьекта с начала старта. Но с какого перепуга мое время будет разниться? Я просто потом остановлюсь, и свет дойдёт до меня с задержкой. В этом и заключается обман, что время искажается. Если я так же буду возвращаться, со скоростью света, то просто увижу “ускоренную информацию полученную светом” (увижу за 1 секунду как обьект менялся в течении… Подробнее »

Demon
Участник
Ответить на  Димон
7 месяцев назад

Так вы вообще никакую картинку наблюдать не будите

Игорек М
Игорек М
Гость
10 дней назад

Статья 18 года появилась в ленте на первом месте. :)))))))))
В комментариях все не опишешь, нужно статью писать и по СТО и по ОТО, а я страшно ленивый. :))

Администратор
Администратор
Ответить на  Игорек М
10 дней назад

Иногда полезно возвращаться в прошлое)

Игорек М
Игорек М
Гость
Ответить на  Администратор
10 дней назад

Да, конечно. Я же книгу пишу по теории времени, волей – неволей приходится касаться всех существующих теорий и где то может даже приходится вносить коррекции. Сложное это дело, боюсь облажаться. 🙂

Игорек М
Игорек М
Гость
10 дней назад

Вообще то по модели гравитационного взаимодействия отличающейся от эйнштеновской я публиковал еще в 2016 году, правда на другом ресурсе. 🙂

Share via
15
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: