Как время может быть относительным?

Интуиция и восприятие (или их отсутствие) могут быть большой проблемой, когда вы пытаетесь понять значение специальной/общей теории относительности. Вы должны понимать, что в повседневной жизни наша интуиция подпитывается довольно медленно. Большинство людей не двигаются быстрее, чем$900 km/h$или же$250 m/s$. И это роскошь для большинства - путешествовать на быстром самолете.

Скорость света ошеломляет$299 792 458 m/s$. Это в миллион раз быстрее, чем все, что мы имеем сегодня. То, что время кажется относительно абсолютным (каламбур) с нашей точки зрения, потому что наша сцена довольно мала, а время, необходимое свету для распространения из одной точки в другую, настолько мало, это не означает, что время действительно неизменно.

Интересно, что пока Майкельсон и Морли работали над своим удивительным интерферометром для измерения скорости Земли по отношению к «магическому эфиру», человек по имени Хендрик Антун Лоренц сделал увлекательное открытие о природе вещей, особенно о природе электронов. Части интерферометра, определяющие направление движения, сжимались при движении и, таким образом, предотвращали обнаружение любого относительного движения или интерференции. Два световых сигнала всегда появлялись одновременно из-за сокращения длины в направлении движения.

Майкельсон не мог этого принять. Это шло вразрез с делом всей его жизни. Лоренц сделал математическую основу для объяснения проблемы, но мало что сделал для анализа результата. Эйнштейн пришел к тем же уравнениям, следуя другому ходу мысли, на этот раз касаясь природы теории относительности Галилея-Ньютона (которая беспокоила его), проблемы света и всех свидетельств, указывающих на то, что распространение в пространстве-времени ограничено скоростью предел.$299792458 m/s$.

Итак, Эйнштейн «взял кость», подброшенную ему природой. Скорость света постоянна для ВСЕХ наблюдателей. Неважно, сидят ли они, падают, бегают, летают, спят. Световой сигнал точно$c$всегда. Независимо от того, как быстро вы движетесь относительно других.

Если это правда, то что-то еще должно согнуться. Пространство и время переплетаются, чтобы соответствовать природе нашего существования, позволяя свету путешествовать со скоростью$c$для всех наблюдателей. Из этих простых постулатов, включающих неспособность различать промежуточные системы отсчета, вытекает смерть одновременности и абсолютного времени.

Простое доказательство включает в себя движущиеся световые часы, которые проходят ровно время.$t$в его путешествии вверх-вниз. Когда он начнет двигаться вместе с кем-то, второй наблюдатель - вы на земле заметите, что его путь удлиняется относительно вас. Следовательно, время, необходимое для движения вверх и вниз, увеличивается до$t_1$. Все это время человек на движущейся платформе видит свет идеально синхронно, вверх и вниз, потому что он движется вместе с ним. Поэтому для него ты тот, кто замедлился во времени (т.$t_1$).

Это специальная теория относительности, но тот, кто действительно испытывает более медленный распад или релятивистские эффекты, — это человек, который ускоряется. Итак, да, время относительно, чтобы защитить постоянство скорости света.

Надеюсь, поможет. И дайте время. Это было доказано много раз, и многие научные работы сегодня основаны на релятивистских эффектах замедления времени.

ДОПОЛНЕНИЕ:

Это точно последствия этого. Распад — это течение времени. Биологические процессы те же, но если он движется очень быстро (и, скажем, равномерно), для любого другого наблюдателя время человека на борту замедляется (мысленный эксперимент со световыми часами, доказанный с помощью спутниковой синхронизации и экспериментов с самолетными/атомными часами). Кроме того, с каждым другим наблюдателем корабль договаривается. Человек на борту ничего не чувствует. Течение времени такое же, и размеры корабля такие же. Чтобы защитить относительность, он видит , что другие замедляются во времени и сжимаются. Но он тот, кто ускорился, следовательно, он испытывает замедление времени.

Таким образом, замедление времени подразумевает более медленное течение времени для человека на борту по сравнению с другими стационарными наблюдателями. Он чувствует себя нормально по отношению к нему, время течет «прекрасно», но когда он вернется, релятивистские эффекты сделают свое дело, исходя из знаменитого$\gamma^{-1} = \sqrt{1−(v/c)^2}$. Это еще не доказано напрямую, но это следует из различных экспериментов, проведенных с самолетами и атомными часами, а также из необходимости синхронизировать спутники через некоторое время из-за гравитационного дифференциала. Почему? Время идет медленнее, распад зависит от времени, более медленный распад.

Последним и самым важным моментом будет то, что время для всех проходит одинаково (вы не можете почувствовать изменения). Но именно относительность (по сравнению с кем-то другим) позволяет нам обнаруживать различия во времени. Точно так же, как вы не можете знать, каково это быть кроликом, потому что у вас никогда не было шанса быть кроликом, чтобы провести сравнение. Грубое, но точное сравнение. Так же, как вы не можете представить иное существование, потому что вы не можете сравниться с другой Вселенной (мы никогда не были в ней). В этом суть относительности. Все, что мы знаем, относительно. Вот "как" мы знаем.

Но красота человеческого разума и торжество всей науки заключается в том, что мы можем созерцать это, наши собственные ограничения, наши способы мышления. И тем самым мы находим способ преодолеть их или максимально использовать их.

С твоим "пониманием времени" все в порядке. Чего вам не хватает, так это связи между пространством и временем. Если вы (наблюдатель) сидите (летаете) там, глядя только на свои часы, то вы никогда не заметите никакого замедления времени.

Релятивистские эффекты появляются, когда у нас есть разные наблюдатели в разных точках пространства. Перемещение, наблюдение, отправка сигналов и т. д. И когда эти наблюдатели пытаются составить связную картину своих наблюдений, они приходят к выводу, что нельзя распространять свое локальное «понимание времени» на «понимание времени» для всего пространства. .

На самом деле пространство и время оказываются очень сильно переплетенными, поэтому мы обычно предпочитаем использовать термин пространство -время .

Итак, вот в чем дело. «Время относительно» означает много разных вещей для разных людей. Чтобы сделать серьезный шаг вперед, Эйнштейну и компании в основном нужно было уточнить, что они пытались сказать.

То, что они пытались сказать, выглядит примерно так: «Если вы видите поезд, проходящий мимо вас, вы увидите, как что-то происходит в слегка «ускоренном движении», когда он приближается к вам на расстоянии, и в слегка «замедленном движении». ", когда он находится на расстоянии, удаляясь от вас. Это неудивительно; когда вы слышите, как поезд гудит в гудок, он звучит выше, когда он приближается, и ниже, когда он уходит. эффекта», поскольку скорость поезда приближается к скорости света, вы обнаружите, что на самом деле в ваших координатах поезд и все, что происходит внутри него, кажется, происходит в равномерном «замедленном движении», замедленном фактором$1/\sqrt{1 - v^2/c^2}$."

Как вы понимаете, этот эффект довольно сложно наблюдать! На самом деле это происходит из-за «сложения» множества мелких эффектов, которые произошли, когда поезд разогнался до такой огромной скорости.

Самый очевидный небольшой эффект заключается в том, что когда вы ускоряетесь в$x$-направление, изменяя вашу скорость на небольшую величину$\delta v$, ваше ощущение пространственных координат меняется на$x \rightarrow x' = x - t ~ \delta v$. То есть стена, которую вы раньше считали постоянной «5 футов» (в направлении x), теперь будет начинаться как «5 футов», но через некоторое время она может быть «4 фута». , затем «3 фута», затем «2 фута» и так далее. Это очень очевидно и было известно Галилею и Ньютону.

Но есть и тонкий эффект времени. Предположим, у вас есть часы на двух стенах, одна из них$x = +5$футов, и один$x = -5$в футах. Этот эффект говорит о том, что они немного рассинхронизировались ,$t \rightarrow t' = t - x ~ \delta v / c^2$. $c^2$это огромное число, которое исторически делало это свойство ускорения полностью игнорируемым. Но мы не можем игнорировать это в наши дни, не с высокоскоростными частицами, которые мы должны вычислить.

Теперь оказывается, что вам нужно разбить то, что происходит, на маленькие промежутки времени, когда вы ускоряетесь, но если вы добавите это небольшое изменение, много раз, то это говорит о том, что то, что происходит в вашем поезде, кажется медленное движение относительно людей вне поезда, но и то, что происходит вне поезда, кажется замедленным относительно того, что происходит в поезде. Так что именно потому, что у времени есть это небольшое свойство «мы начинаем не соглашаться с одновременностью удаленных событий», мы в конечном итоге создаем большее несоответствие «мы начинаем не соглашаться с тем, насколько велики вещи и как быстро тикают их часы». И самое замечательное в этом то, что вы оба правы. У вас обоих есть совершенно правильные координаты, которые идеально описывают мир.

Фактически, многие современники Эйнштейна думали, что более новая наука «электродинамика», которая подразумевала эти вещи, была в корне нарушена. До Эйнштейна люди знали об этих проблемах благодаря парню по имени Лоренц, но не слишком серьезно относились к его работе. В статье Эйнштейна 1905 года фактически говорилось: «Мы должны относиться к нему серьезно».

Одна из причин, которую мы теперь можем оценить, заключается в том, что теперь мы знаем, что математика полностью непротиворечива. Никто никогда не спорит о порядке событий, и никто не может использовать эти странные эффекты «десинхронизирующих часов» для путешествия во времени, если они каким-то образом не найдут способ двигаться быстрее скорости света. Есть еще одна причина, по которой мы думаем, что никто не может двигаться быстрее скорости света, которая связана с ключевым фактом об этих десинхронизирующих часах: они координируются вместе с изменением ваших пространственных координат, чтобы гарантировать, что, как только вы перестанете ускоряться , вы все еще думаете, что свет движется во всех направлениях с постоянной скоростью$c$, даже в вашем новом$(x', t')$координаты. Это означает, что если вы бросите вызов кому-то в гонке с лучом света, и они начнут двигаться со скоростью$c/2$относительно вас свет не движется$c/2$от них по своим координатам, но со скоростью$c$подальше от них. Так что здесь есть настоящий парадокс Зенона, гарантирующий, что никто никогда не сможет обогнать свет.

Самый очевидный парадокс, который, как оказалось, не имеет большого значения, заключается в следующем: «Если я думаю, что люди в поезде движутся в замедленном темпе, и они видят меня в замедленном темпе, не могу ли я просто позвонить одному из них и мы увидим, кто быстрее, а кто медленнее в телефонном разговоре ?. И ответ на это, да, если бы телефон мог передавать информацию мгновенно, то природа должна была бы установить одного из этих людей как правильного, а одного из них как неправильного Но, конечно, настоящие телефоны тоже обязаны передавать энергию не быстрее скорости света — и это дает именно ту двусмысленность, которая нужна вам для того, чтобы убедиться, что оба они совершенно корректны и ни один из них не может претендовать на превосходство над Другой.

Вот что мы подразумеваем под «время относительно»: кто-то на улице после поправки на эффект Доплера все еще думает, что люди в поезде движутся «в замедленном темпе» и, таким образом, стареют медленнее, чем люди на земле. Люди в поезде, конечно, прекрасно видят себя, но после поправки на эффект Доплера думают, что люди на земле движутся «в замедленном темпе» и поэтому стареют медленнее, чем люди в поезде. Обе группы имеют действительные координаты, и мы не можем выбирать между ними. Всякий раз, когда вы сталкиваетесь с экспериментом, который, кажется, действительно проверяет это, например: «Ну, мы остановим поезд, выйдем и проверим их возраст», эти сдвиги координат неизменно уравновешивают все, так что парадокса нет: обычно человек, ускоряющийся становится «неправильным», поэтому, если мы ускоряемся, чтобы запрыгнуть в поезд, мы видим, как люди в поезде движутся в ускоренном темпе, пока они не кажутся старше нас, и оказывается, что «поезд был прав»; но когда поезд замедляется, чтобы проверить возраст людей на земле, все эти люди движутся в ускоренном темпе, пока не кажутся старше людей в поезде, следовательно, «земля была правильной». На самом деле ни то, ни другое не было абсолютно правильным, но существует последовательная математика, согласно которой удаленные часы, которые казались синхронизированными, внезапно немного рассинхронизировались, вызывая систематические разногласия по поводу того, как быстро идут часы в целом. но когда поезд замедляется, чтобы проверить возраст людей на земле, все эти люди движутся в ускоренном темпе, пока не кажутся старше людей в поезде, следовательно, «земля была правильной». Ни то, ни другое на самом деле не было абсолютно правильным, но есть последовательная математика, согласно которой удаленные часы, которые казались синхронизированными, внезапно немного рассинхронизировались, вызывая систематические разногласия по поводу того, как быстро идут часы в целом. но когда поезд замедляется, чтобы проверить возраст людей на земле, все эти люди движутся в ускоренном темпе, пока не кажутся старше людей в поезде, следовательно, «земля была правильной». Ни то, ни другое на самом деле не было абсолютно правильным, но есть последовательная математика, согласно которой удаленные часы, которые казались синхронизированными, внезапно немного рассинхронизировались, вызывая систематические разногласия по поводу того, как быстро идут часы в целом.

Я хотел бы добавить несколько слов к отличному ответу Домагоя Панджи . Он делает такое заявление:

«….Интуиция и восприятие (или их отсутствие) могут быть большой проблемой, когда вы пытаетесь понять значение специальной/общей теории относительности…».

Я думаю, что ответ Домагоя отличный, но я немного не согласен с этим утверждением. На самом деле почти все наши интуитивные представления о времени переживают специальную теорию относительности: для меня это самое замечательное. Чему учит нас теория относительности, так это тому, что существует более одной действительной экстраполяции наших повседневных физических интуитивных представлений, которые согласуются с ними: наша интуиция верна, просто первое предположение об экстраполяции из нее, а именно относительность Галилея с ее векторным добавлением относительных скоростей между инерциальными системами отсчета, неверно. Это уникальная теория относительности, которая может следовать из принципа относительности Галилея, согласно которому ни один эксперимент внутри инерциальной системы отсчета не может обнаружить движение системы только по наблюдениям внутри системы отсчета.если предположить, что все наблюдатели измеряют один и тот же интервал времени между любыми двумя событиями в пространстве-времени. Но бритва Оккама иногда дает сбой, и если мы перейдем к следующей простейшей альтернативе и ослабим предположение об абсолютном времени, то на самом деле есть другие возможные относительности, которые все согласуются с основными принципами Галилея и Коперника: это преобразования Лоренца и параметр$c$просто определяет, какое из этого семейства относительностей применимо к нашей вселенной.

Но относительное время: ведь это противоречит всем нашим интуитивным представлениям? Позвольте мне попытаться убедить вас в обратном.

Хотя относительное время, которое обсуждает Домагой Панджа, показывает, что одновременность относительна и что разные наблюдатели будут измерять разное время между двумя событиями, тем не менее преобразование Лоренца, которое определяет эти отношения относительности, является очень особым преобразованием, таким образом, что большинство важных интуитивных чисто физических свойств времени совершенно без изменений, совершенно так . Каковы эти основные интуиции? Для меня это (1) ритм и скорость естественных процессов вокруг нас по отношению друг к другу и (2) причинность: т . е . эффекты любых причинных агентов, которые мы наблюдаем вокруг нас, всегда кажутся следующими за их причинами в нашей вселенной.

Специальная теория относительности не меняет ничего из этого, хотя числовое значение времени относительно. Вот насколько особенным является преобразование Лоренца.

Итак, если Солнечная система движется в пространстве со скоростью относительно какого-то другого небесного тела со скоростями, приближающимися к скорости света, то это не имеет никакого значения.влияет на относительную скорость протекания физических процессов, происходящих вокруг нас. Наши тела испытывают циркадные ритмы, и с нашими телами происходят разные вещи: мы вырастаем из детей, вступаем в период полового созревания, вырастаем во взрослых, безжалостно стареем и умираем: со скоростью, которая имеет определенные, повторяющиеся отношения с видимым суточным движением нашего Солнца, как и важные природные явления, такие как как времена года. Таким образом, временные отношения между нами и физическими процессами вокруг нас одинаковы. Таким образом, время «чувствуется», как будто оно течет для нас нормально, когда мы обращаемся к вещам в Мире, которые все еще относительно нас или движутся очень медленно. Это в основном принцип Галилея. Вся эта «нормальность» сохраняется даже при том, что мы, находясь в далеком небесном теле, будем наблюдать за нашими физическими процессами: старением биологических существ, распад метастабильных частиц и так далее происходит очень медленно по сравнению с их локальными физическими процессами из-за нашего более медленного относительного времени по сравнению с их. И если мы построим усовершенствованные телескопы, мы действительно будем наблюдатьих физические процессы тоже движутся медленно по отношению к нашим!

Это звучит странно, но вот ключевой момент. Поскольку преобразование Лоренца таково, что никакая причинно-следственная связь не может распространяться быстрее, чем$c$, мы не можем мгновенно сравнивать записи о том, что происходит в наших локальных кадрах. Задержка в любой передаче сигналов между двумя кадрами предотвращает любое противоречие, возникающее из-за взаимного замедления времени каждого кадра по отношению к другому. Это связано с тем, что преобразование Лоренца дает нам нечто, выходящее за рамки принципа Галилея: хотя мы и будем не согласны с нашим далеким, относительно движущимся наблюдателем даже в том, в каком порядке происходят вещи, которые мы наблюдаем в кадрах друг друга, мы никогда не будем расходиться во мнениях относительно порядка причинно-следственной связи. связанные события . Причины никогда не следуют за следствиями ни винерциальную систему мы наблюдаем, как бы она ни двигалась относительно нас. Наша физическая интуиция причинности прекрасно уважается специальной и общей теорией относительности. Топология сети причинно-следственных связей между физическими событиями в пространстве-времени совершенно неизменна , даже несмотря на то, что сеть может немного растягиваться и сжиматься, когда мы смотрим на нее из разных инерциальных систем отсчета. Самая основная интуиция — причинность — выживает.

Таким образом, наши физические представления о времени: как быстро меняются наши тела, день и ночь, времена года, и любые причинно-следственные связи, которые мы можем наблюдать, остаются неизменными в силу относительности. Мы видим крошечные различия только тогда, когда начинаем присваивать числовые значения скоростям этих процессов и измеряем их часами, которые может дать нам только самая высокая технология. Тем не менее, все причинно-следственные связи сохраняются независимо от того, насколько серьезными становятся специальные релятивистские эффекты.

Я больше говорю обо всем этом в своей статье, которая, я надеюсь, скоро будет опубликована: я представил ее в European Journal of Physics. Его препринт здесь:

Род Вэнс, «О группах, Галилее и особенностях скорости света»

Я также подвожу итоги в своем недавнем ответе на вопрос Physics SE: «Если все движения относительны, то как свет имеет конечную скорость?»

Релятивистские эффекты реальны и подтверждены экспериментально. Вселенная на самом деле подчиняется общей теории относительности, которая в точности напоминает специальную теорию относительности в отсутствие гравитационного поля и очень похожа на нее в гравитационном поле Земли. Согласно специальной теории относительности, внутренние часы всех объектов замедляются в 1/sqrt(v^2 - c^2) и сокращаются в длину в 1/sqrt(1 - v^2/c^2) ) по направлению движения. Фактически, специальная теория относительности также предсказывает, что невозможно обнаружить абсолютное движение. Мой ответ здесьпоказывает, как это может быть, несмотря на замедление времени. Согласно общей теории относительности, стационарные часы тикают быстрее, когда они выше, а скорость изменения ln (сокращение времени) с высотой составляет g/c^2, где g — напряженность гравитационного поля.

Если подумать, то время в том виде, в каком мы его знаем, на самом деле не существует/не течет — это наши ментальные проявления окружающего мира, которые мы считаем временем. Например, то, что мы видим, на самом деле не существует, когда мы это видим. Объект посылает нам световые волны (возможно, лишь малую часть того, чем объект является на самом деле), затем наши глаза должны расшифровать световые волны, а наш мозг должен расшифровать нейронный сигнал от наших глаз. Следовательно, существует много уровней фильтрации, когда мы пытаемся понять вселенную.

Эта фильтрация затрудняет понимание хода времени. Время на самом деле не проходит. Время на самом деле не существует, и оно определенно не течет и не проходит. Что такое время - это всего лишь изменение частиц относительно других частиц. Наш мозг воспринимает изменяющуюся среду, когда течение времени вызывает изменения вещей, но на самом деле скорость, с которой вещи меняются по отношению к другим вещам, заставляет наш мозг осознавать время.

С этой целью мы должны подумать о частицах — когда много частиц находятся близко друг к другу в ограниченном пространстве, они замедляются, потому что не могут никуда двигаться, а другие силы не позволяют им менять форму так быстро, как в противном случае. Следовательно, массивный тяжелый объект движется медленнее по сравнению с другими объектами, потому что частицы не меняются так быстро по сравнению с частицами, внешними по отношению к объекту. По сути, это то, о чем говорил Эйнштейн: объекты с большой массой движутся медленнее, чем объекты с меньшей массой. Эйнштейн также понимал, что при некотором пороге энергия, затраченная на изменение формы частиц, также может быть преобразована в энергию, заставляющую частицы двигаться (E=MC ²). Следовательно, движущаяся частица тратит больше энергии, чем другая частица той же массы в состоянии покоя, и, следовательно, также движется во времени быстрее. Следовательно, при равенстве масс двух объектов тот, который движется быстрее, будет двигаться быстрее во времени к другому объекту.