Я недавно читаю "Краткую историю времени" Стивена Хокинга и не могу в совершенстве понять этот небольшой отрывок:
(...) Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что время должно казаться медленнее вблизи массивного тела, такого как Земля. Это потому, что существует связь между энергией света и его частотой (то есть количеством световых волн в секунду): чем больше энергия, тем выше частота (...)
Как это свет влияет на время? Он пишет также:
Когда свет движется вверх в гравитационном поле Земли, он теряет энергию, и поэтому его частота снижается. (Это означает, что промежуток времени между одним гребнем волны и следующим увеличивается.) Кому-то наверху может показаться, что все, что внизу, происходит дольше.
И это я могу понять, это просто вопрос точки зрения. Но больше всего меня смущает вот это:
Это предсказание было проверено в 1962 году с помощью пары очень точных часов, установленных наверху и внизу водонапорной башни. Было обнаружено, что часы внизу, которые были ближе к Земле, идут медленнее, в точном соответствии с общей теорией относительности.
Как это связано со светом? Как свет влияет на ситуацию, когда оказалось, что часы внизу идут медленнее? Я знаю основы общей теории относительности, я просто запутался, почему он упомянул в ней «отношение между энергией света и частотой». Я, вероятно, упускаю здесь что-то очевидное, поэтому я жду, когда кто-нибудь мне поможет.
Мы можем думать о времени как о способе измерения интервалов, разделяющих два события. В этом случае свет вводится, чтобы помочь вам визуализировать, как происходит замедление времени.
Представьте, что есть машина, состоящая из двух пластин, отстоящих друг от друга на один метр, и снизу излучается свет. Поскольку свет представляет собой волну, мы можем измерить наше время как интервал, который требуется для появления двух последовательных гребней (т. е. единицу времени). При отсутствии внешних воздействий мы должны измерять одно и то же время независимо от нашего положения по отношению к часам.
Теперь давайте поместим наши часы рядом с объектом с интенсивным гравитационным полем, и вы остаетесь рядом с ним, а я отодвигаюсь от него. Как говорит Хокинг, когда свет движется вверх, он теряет энергию (помните, что энергия, частота и длина волны связаны соотношением ). Так как скорость света должно сохраняться, это означает, что частота уменьшается и, следовательно, длина волны увеличивается.
Теперь, если вы измерите время между двумя последовательными гребнями, вы измерите одну единицу времени (скажем, одну секунду). Однако я вижу часы издалека и замечаю, что из-за гравитационного поля длина волны теперь света стало больше. Это означает, что два последовательных гребня достигают верхней пластины дольше, поэтому я измеряю более длительное время (скажем, 2 секунды). Это означает, что на время повлияло присутствие гравитационного поля (на самом деле это называется гравитационным красным смещением).
Теперь это может показаться частным случаем для света, но помните, что вся материя по существу состоит из элементарных частиц с их собственными взаимодействиями, а время измеряется как интервал между каждым взаимодействием. Таким образом, на их «время» также воздействовало гравитационное поле точно так же, как на свет воздействовало гравитационное поле.
Поскольку атомные часы — это, по сути, часы, которые измеряют время в соответствии с определенными атомными переходами, на них влияет гравитационный эффект, о котором я только что упоминал. Вот почему мы наблюдали небольшую, но не нулевую разницу в интервалах времени, измеряемых наземными и самолетными часами.
Надеюсь, это поможет сделать его более понятным.
В основном вы затронули те вопросы, которые я перечислил ниже.
(1) Вопрос о связи между энергией света и его частотой.
(2) Вопрос в том, что свет теряет энергию и, таким образом, уменьшает свою частоту при выходе из гравитационного колодца.
(3) Сомневайтесь в тесте 1962 года, показывающем, что время в нижней части башни около Земли течет медленнее, чем на вершине башни, где время идет быстрее.
Соответственно, я хотел бы ответить на ваши вопросы, как указано ниже.
А1 . Фотон – калибровочный бозон, носитель электромагнитной силы. Поэтому весь спектр электромагнитных волн переносится фотонами.
Свет представляет собой небольшую часть спектра электромагнитных волн, спектр включает радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Энергию фотона можно рассчитать по уравнению Макса Планка E = hf, где E обозначает энергию фотона в Жюлях, f обозначает частоту волны в Гц, а постоянная Планка h = 6,625 × 10 ^ –34 Дж с. Уравнение применимо для электромагнитного спектра.
Вот связь между частотой фотона и его энергией.
А2 . Когда фотон покидает гравитационный колодец после своего излучения, он тратит энергию на то, чтобы покинуть гравитационный колодец, в результате чего его энергия уменьшается, и, согласно приведенному выше уравнению Планка, частота фотона также уменьшается из-за уменьшения его энергии. Фотон будет иметь большую часть своей энергии сразу после излучения для своего источника, и поэтому его частота тоже будет такой же.
Длина волны обратно пропорциональна частоте волны, поэтому, когда фотон уменьшает свою энергию, его частота также уменьшается, но длина волны увеличивается, что приводит к красному смещению фотона в электромагнитном спектре из-за такого увеличения длины волны фотона. . Это известно как гравитационное красное смещение.
Свет состоит из фотонов, поэтому, когда энергия фотона уменьшается, его частота также уменьшается, как объяснялось выше.
А3 . Испытание 1962 года, которое вы поставили под сомнение, показало, что время течет медленнее или быстрее в зависимости от относительных различий гравитационного потенциала.
На самом деле, это ошибочное утверждение теории относительности. Из-за относительного более медленного или более быстрого хода часов не из-за замедления времени, а из-за ошибки в отсчете относительного времени часов из-за относительных фазовых сдвигов частоты волны колебаний часов под относительными гравитационными воздействиями и соответствующими относительное уменьшение или увеличение длин волн указанных часовых колебаний в соотношении между длиной волны и временным периодом волн часовых колебаний. Искажения длин волн в точности соответствуют искажениям времени λ∝T.
Эксперименты, проведенные в электронных лабораториях на пьезоэлектрических кристаллических генераторах, показывают, что волна соответствует сдвигу во времени из-за релятивистских эффектов.
Принимая во внимание, что временной интервал T(deg) для 1° фазы обратно пропорционален частоте (f). Получаем волну, соответствующую временному сдвигу.
Например, фазовый сдвиг на 1° на волне с частотой 5 МГц соответствует временному сдвигу в 555 пикосекунд (пс).
Мы знаем, что фазовый сдвиг в 1° = T/360. Поскольку T=1/f, фазовый сдвиг 1° = T/360 = (1/f)/360. Для волны частотой f = 5 МГц получаем фазовый сдвиг (в градусах) = (1/5000000)/360 = (5,55x10^10) = 555 пс.
Следовательно, для фазового сдвига на 1° для волны с длиной волны λ = 59,95 м и частотой f = 5 МГц временной сдвиг (временная задержка) Δt = 555 пс (приблизительно).
Временной сдвиг атомных часов цезия-133 на спутнике GPS в космосе:
Для сдвига фазы 1455,50003025 ° (или 4,043055639583333 цикла) волны с частотой 9192631770 Гц; временные сдвиги (временные задержки) Δt = 0,0000004398148148148148 мс (приблизительно) или 38 микросекунд времени в сутки.
Следовательно, замедление длины волны колебаний часов из-за релятивистских эффектов или гравитационной разности потенциалов в часовом механизме приводит к соответствующей ошибке в отсчете времени в часах, ошибочно представленной как замедление времени. Замедление времени — это, скорее, замедление длины волны.