Как гравитационное замедление времени влияет на материю?

Существует распространенное заблуждение, что замедление времени — это своего рода активный процесс, т. е. что-то действует на замедленного наблюдателя, замедляя его время. Это не вариант. Вместо этого замедление времени существует потому, что два наблюдателя измеряют время по-разному.

Если предположить, что вы находитесь на поверхности Земли, то наблюдатель на Плутоне заметит, что ваше время замедлено, т. е. его часы будут идти быстрее, чем ваши. Но кажется ли вам, что ваше время растянуто? Ваши часы по-прежнему идут со скоростью одна секунда в секунду. Ваши радиоактивные ядра все еще распадаются с той же скоростью. Что касается вас, ваше время течет совершенно нормально.

Мы измеряем время и пространство, используя некоторый набор координат. Обычно мы измеряем положение в пространстве, устанавливая$x$,$y$и$z$оси, а для измерения времени мы используем четвертую$t$ось. Это создает четырехмерный график, который немного сложно визуализировать, но математически это просто. Затем мы можем отслеживать течение времени по тому, как быстро объекты перемещаются по оси времени. Подробнее об этом см.: Что такое время, течет ли оно, и если да, то что определяет его направление?

Наблюдатель на Плутоне также использует координаты для измерения времени, но из-за кривизны пространства-времени их временная ось не совпадает с вашей временной осью, и это означает, что они измеряют время по-разному. Вот почему наблюдатель на Плутоне замечает, что ваше время замедлено.

Таким образом, ответ на ваш вопрос заключается в том, что замедление времени не влияет на материю в смысле какого-то активного механизма, воздействующего на материю. Все это означает, что разные наблюдатели измеряют время по-разному, потому что их определения оси времени различны.

Действительно ли колеблющиеся атомы замедляются из-за эффекта замедления времени?

Да. Эксперимент Хафеле-Китинга показывает, что на атомные часы влияет гравитационное замедление времени. А эксперимент Паунда-Ребки показывает, что на частоту гамма-лучей, испускаемых возбужденными атомами, влияет гравитационное замедление времени.

Гравитационное замедление времени - это реальный объективный эффект, в отличие от кажущегося субъективного замедления времени специальной теории относительности. Наблюдатели, стационарные друг относительно друга (в пространстве), но находящиеся на разных «высотах» в гравитационном поле, согласятся, что время течет с разной скоростью в каждой из их местностей, и наблюдатель, для которого время течет медленнее, находится глубже. в гравитационном поле. Наблюдатели, находящиеся в одном и том же месте, но имеющие разную историю ускорений, будут иметь разные измерения прошедшего времени и согласятся, у кого ускорение больше.

Ни один наблюдатель не может обнаружить гравитационное замедление времени чисто локальными наблюдениями в космосе. Местные часы у всех идут со скоростью одна секунда в секунду — это тавтология. Но сравнение нелокальных часов, стационарных (в пространстве) относительно друг друга, устанавливает, что гравитационное замедление времени является реальным эффектом.

Должно. На самом деле это ядро ​​принципа относительности, и ОТО здесь не требуется. Чтобы убедиться в этом, давайте сформулируем принцип относительности немного, но, на мой взгляд, более глубоко: «Наблюдатель с постоянной скоростью никогда не должен быть в состоянии заметить свое прошлое ускорение, если только он не увидит его сам» . Идея здесь состоит в том, что если кто-то, который первоначально находился в покое относительно другого наблюдателя, а затем заснул, только чтобы проснуться после того, как один из них был ускорен, он не должен был бы сказать, что он был тем, кто был ускорен. В его кадре оба состояния постоянной скорости, до и после, должны выглядеть совершенно одинаково.

Теперь представьте себе классический мысленный эксперимент с близнецами . Оба близнеца изначально покоятся относительно друг друга в космическом пространстве. Они перемещаются в отдельные космические корабли, устанавливают таймер для случайного ускорения одного из них и погружаются в глубокий сон. Когда они просыпаются, через некоторое время после фазы ускорения, один из них заметит, что ее старение и наручные часы, похоже, совпадают. В начале эксперимента она была молодой девушкой, но ее седые волосы и морщины соответствуют 50 годам, прошедшим на ее часах. Теперь, если ускорение не влияет на все часы в мире (включая биологические) одинаково, то ее сестра на другом космическом корабле сможет сказать, что она была ускоренной, так как ее старение не соответствует 1 год ее наручных часов, даже если на этом этапе эксперимента они находятся в однородном механизме. Иными словами, девушки придумали способ проверить собственное состояние постоянного движения, которое должно быть всегда невозможно сделать, несмотря ни на что.

Замените фазу ускорения гравитационной рогаткой , и если постоянное движение невозможно проверить самостоятельно, у вас нет другого выбора, кроме как признать, что гравитация влияет на все часы одинаково.

___Редактировать

Ключевым моментом здесь является то, что все мыслимые часы (атомные, механические и т. д.) в одной и той же системе отсчета измеряют одно и то же время, но часы в разных системах отсчета измеряют разные значения, и эта разница может быть обнаружена только тогда, когда часы которые были изначально синхронизированы, ускоряются, а затем снова собираются вместе. Невозможно проверить это различие внутри индивидуальной системы отсчета, не глядя вовне. Из-за этого невозможно, чтобы кто-то в каком-либо отдельном кадре почувствовал своего рода замедление времени. Так что замедление времени - это не физическая силаэто заставляет часы в ускоренном кадре замедляться. Что можно сказать, так это то, что энергия, вложенная в систему (та, которая вызывает ускорение), коренным образом изменяет способ, которым эти системы отсчета связывают пространственные и временные скорости друг с другом, изменяя поправочный коэффициент (представленный метрическим тензором), который они используют для обмениваться измерениями пространства-времени.

Я чувствую, что мне нужно добавить этот ответ, потому что в настоящее время есть два отличных ответа от @JohnRennie и @gandalf61, но если вы посмотрите на них на первый взгляд, может показаться, что они противоречат друг другу. На самом деле это не так, но я считаю, что это требует небольшого пояснения.

См. превосходный ответ gandalf61, который прямо говорит вам, что да, колеблющиеся атомы на самом деле замедляются внутри гравитационного поля. Затем в превосходном ответе Джона Ренни говорится, что замедление времени - это не активный процесс, а скорее существует, потому что два наблюдателя измеряют время по-разному.

гравитационная «сила», воспринимаемая локально, когда он стоит на массивном теле (например, на Земле), аналогична псевдосиле, которую испытывает наблюдатель в неинерциальной (ускоренной) системе отсчета.

https://en.wikipedia.org/wiki/Принцип эквивалентности

Теперь, как это может показаться невозможным, оба правы. Очень важно понимать, что скорость относительна, а ускорение абсолютно. В соответствии с принципом эквивалентности эффекты гравитационного поля могут быть неотличимы от ускорения.

Как объясняет это Джон Ренни, два атомных часа находятся в двух гравитационных полях разной силы, поэтому они движутся по разным временным осям (влияние гравитационного поля изгибает оси по-разному, если хотите), они по-разному измеряют время.

На самом деле, gandalf61 говорит то же самое в комментарии, объясняя, что в эксперименте два атомных часа летали и при повторной встрече (вместе и с третьими часами) их различия (имея в виду, что они тикали разное количество), были в соответствии с ГР.

Они говорят одно и то же, что часы двигались по разным временным осям (отчасти потому, что они двигались/существовали на разных глубинах под действием гравитационного потенциала), и одна временная ось изгибалась больше под действием гравитации, чем другая, вызывая часы тикают с разной скоростью.

Очень важно понимать, что такое влияние на ход часов реализуемо только при сравнении с другими часами, существовавшими на разных глубинах по гравитационному потенциалу (двигались по разным осям времени). Если у вас есть одни часы, вы не можете сказать, что часы начинают идти медленнее, когда вы входите в более сильное гравитационное поле (потенциал), потому что их не с чем сравнивать. Вы всегда должны сравнивать свои часы с другими часами, которые находятся в гравитационном поле другой силы (находятся на разных глубинах гравитационного потенциала), чтобы понять разницу в скорости часов.

Итак, как вы говорите, является ли этот эффект абсолютным на часах? Вы могли бы сказать «да», но это было бы заблуждением, потому что, если вам не с чем сравнивать, вы не можете это осознать. Вы всегда должны сравнивать свои часы с другими, чтобы понять эффект замедления времени ОТО.

Я считаю, что только ответ @JohnRennie правильно касается сути вопроса. Замедление времени — это эффект, который заметен только для наблюдателей, движущихся относительно кадра, который кажется замедленным во времени — в самом этом кадре ничего не меняется.

Часто говорят, что движущиеся часы идут медленно, но это неверное утверждение, поскольку создается впечатление, что сами часы замедлились, что неверно.

Если вы увеличиваете скорость, то ваше местное время (то есть время, когда вы находитесь в системе отдыха) проходит с той же скоростью, что и время в любой другой точке любой другой системы отсчета. Только когда прошедшее время в одном месте одного кадра сравнивается со временем в двух разных местах движущегося кадра, появляется несоответствие.

В СТО явление замедления времени возникает из-за того, что ось времени в вашей системе отсчета наклонена относительно оси времени в системе отсчета, движущейся относительно вас. Это означает, что, перемещаясь в пространстве в другой системе отсчета, вы перемещаетесь из областей более раннего времени в этой системе отсчета к областям более позднего времени.

Аналогия неточная, но если вы представите себе путешествие на восток вокруг Земли, вылетающее из Лондона в полдень, вы пройдете через последовательные часовые пояса, в которых местное время постепенно отстает. Если вы приземлитесь в Токио в полночь на своих часах, местное время будет 7 утра, так что вы потеряете 7 часов. Дело не в том, что ваши часы отстали, а в том, что вы переместились в место, где время опережает вас на семь часов.

Аналогичным образом возникает явление замедления времени в СИ. Когда вы перемещаетесь в системе отсчета, исходной линией вашего движения является не горизонтальная плоскость одновременности в этой системе отсчета, а наклонная плоскость. В вашей системе покоя в любой данный момент везде одно и то же время. Если сейчас ровно полдень там, где вы находитесь, то и ровно полдень на милю впереди вас. Однако в точке пространства-времени, которая соответствует полудню в миле впереди вас в вашей системе отсчета, в движущейся системе уже за полдень . Точно так же, как когда вы взлетаете в полдень в Лондоне, в Токио уже 7 вечера.

Если вам все еще нужно убедить себя, что движущиеся часы на самом деле не замедляются, подумайте над следующим мысленным экспериментом. Если вы посмотрите на секундную стрелку своих часов, вы увидите, что она движется с определенной скоростью. По сравнению с кадром, проходящим мимо вас со скоростью 1000 миль в час, ваши часы будут постоянно терять небольшое количество времени по сравнению с последовательными часами в этом кадре. По сравнению с кадром, проходящим мимо вас на скорости 100 000 миль в час, ваши часы будут идти еще медленнее. По сравнению с часами в кадре, проносящимися мимо вас с достаточно высокой скоростью, кажется, что секундная стрелка тикает раз в год. Кажется, что ваши часы идут с разной скоростью в зависимости от относительной скорости кадра, с которым они сравниваются.

В ОТО замедление времени имеет аналогичную причину, но вместо плоскостей одновременности, которые наклонены друг относительно друга, оно включает искривленные поверхности времени.

Ниже приводится лишь комментарий к текущему вопросу OP (который, однако, превышает 600 символов):

Харви: «[...] Действительно ли колеблющиеся атомы замедляются из-за эффекта замедления времени, возникающего из-за более сильного гравитационного объекта [?]»

Должен ли этот вопрос и вопрос ОП в целом толковаться в следующем конкретном смысле, например:

«Является ли частота сверхтонкого перехода в основном состоянии атома цезия-133, который надлежащим образом защищен от падения (на какой-то близлежащий, значительно массивный объект, такой как Земля), меньше, чем невозмущенная частота сверхтонкого перехода в основном состоянии (подходящим образом свободного) атома цезия - 133 ? ?"

??

(Если так, то я вряд ли квалифицирован и не особо заинтересован в том, чтобы отвечать на этот или подобные вопросы об атомной физике.)

Если нет, то, в моем понимании, постановка вопроса ОП требует уточнения, доработки, доработки. (Очевидно, что к этому можно подойти по-разному. Одно предложение, которое я счел бы целесообразным, могло бы заключаться в конкретном вопросе: «Что
именно мы имеем в виду, говоря, что один осциллятор «колебался медленнее», чем какой-то другой осциллятор?»… )

Ну да. Эксперимент Паунда-Ребки Гравитационно-доплеровский сдвиг Паунда-Ребки определенно указывает на то, что физические материальные системы с характерными частотами ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ведут себя по-разному в зависимости от их относительного положения в гравитационном поле. Их внутренние часы расходятся, как того требует Общая теория относительности.

Эффект невелик, но очень точное определение частоты гамма-излучения подтверждает изменение во времени.

Атомные часы отслеживают регулярные колебания атомов. Вот как они могут вести невероятно точное время. Чем ближе атомные часы к источнику гравитации, тем медленнее они отсчитывают время, а чем дальше они находятся, тем быстрее они отсчитывают время (измеряемое удаленными наблюдателями).

Тот факт, что гравитационные поля влияют на атомные часы именно таким образом, позволяет с уверенностью предположить, что колебания атомов на самом деле замедляются гравитационными полями (по измерениям удаленного наблюдателя).

Цитируя часть вашего вопроса, на которую я отвечаю:

Когда мы описываем замедление времени в результате гравитации, говорим ли мы, что движение всех крошечных частиц, включая субатомные частицы, на самом деле замедляется?

Мы должны быть осторожны здесь с выражением «замедление».

Приведу сравнение:
Как известно: теплота есть движение атомов, из которых состоит вещество. Атомы/молекулы газа имеют распределение скоростей. Это распределение имеет среднее значение. Чем выше температура, тем выше средняя скорость. Охлаждение вещества означает, что вы уменьшаете тепловую скорость.

Эффект замедления времени не сравним с таким замедлением.

Я настоятельно рекомендую не думать в категориях медленнее/быстрее, это заведет вас в тупик.

Более осторожный подход состоит в том, чтобы думать о замедлении времени с точки зрения его оперативного описания .

Автор Physics.SE Gandalf61 уже упоминал эксперимент Хафеле-Китинга.

Момент в эксперименте, когда резина встречается с дорогой, возникает тогда, когда соединяются два часа . Когда двое часов снова стоят рядом друг с другом, сравнение не вызывает двусмысленности.

Видно, что для одних часов прошло меньшее количество собственного времени, чем для других часов.

Повторяю: я рекомендую думать с точки зрения количества собственного времени , а не с точки зрения медленнее/быстрее.

Идея здесь состоит в том, чтобы быть минималистом . Выразите минимум, достаточный для описания наблюдения, и воздержитесь от интерпретации наблюдения.

Механизм, лежащий в основе действия гравитации, неизвестен. Чтобы вообще сформулировать ОТО, необходимо принять принцип эквивалентности .

Основанием для принятия этого предположения является успех ОТО как физической теории.

Каким-то образом форма или форма гравитации создает смещение, так что глубже в гравитационном колодце проходит меньшее количество собственного времени по сравнению с количеством собственного времени, которое проходит на большей высоте.

Это смещение, какова бы ни была его природа, является настоящим физическим эффектом . Это смещение не является очевидным эффектом.