Почему фотонные часы эквивалентны всем часам?

Я могу понять, почему, если скорость света неизменна, фотонные часы будут идти медленнее. Я нахожу это объяснение очень полезным с точки зрения введения идеи замедления времени (также потому, что оно позволяет вывести формулу Лоренца интуитивно, только используя теорему Пифагора).

Но в этом подходе отсутствует одна важная концепция. Студент может сказать; Хорошо, я понимаю, почему фотонные часы тикают медленнее, но почему это неотъемлемое свойство самого времени? Почему это не какой-то эффект механики этих конкретных часов? Как маятниковые часы, атомные часы, циркадные ритмы, химические часы и т. д. эквивалентны фотонным часам? Почему замедление хода фотонных часов является исследованием самой природы всех часов и самого времени, а не только исследованием природы этих конкретных часов (тем более, если учесть, что объяснение опирается на специфический механизм эти часы работать)?

Например, некоторые студенты могут рассуждать; часы с маятником замедлились бы на поверхности Луны, так как гравитация ниже и, следовательно, период маятника был бы больше, но мы не сразу делаем вывод, что само время на Луне замедлилось по отношению к Земле ( на самом деле, по иронии судьбы, в общей теории относительности все наоборот), просто технические особенности этих конкретных часов делают это возможным, потому что мы изменили их функциональность, изменив физическую среду, в которой они работают. То же самое можно сказать, например, о весенних часах, погруженных в воду. Но если мы не думаем, что лунная гравитация замедляет время по сравнению с земной только потому, что маятниковые часы тикают медленнее, или что вода замедляет время только потому, что весенние часы тикают медленнее,

@AlfredCentauri Это один вопрос, перефразированный по-разному, чтобы объяснить его более подробно. Я не вижу здесь никаких проблем, и в любом случае я мог бы разбить этот вопрос на разные темы, чтобы они не дублировали друг друга. Вы можете взять вопрос из заголовка, если вам нужно прямое и короткое предложение.
Эта статья в открытом доступе может быть полезна: aflb.ensmp.fr/AFLB-411/aflb411m855.htm
Ваш вопрос раскрывает нечто важное: что вы подразумеваете под «самим временем»? Один из способов определить «время» — это «то, что вы считываете с часов».

Ответы (10)

Воспользуйтесь принципом относительности.
У инерциального наблюдателя есть как световые, так и механические наручные часы, которые согласуются, когда все находятся в состоянии покоя. Если они не согласуются, когда инерциальный наблюдатель движется [с ненулевой постоянной скоростью], неся эти часы, тогда этот наблюдатель может отличить состояние покоя от движения с ненулевой постоянной скоростью.

ОБНОВЛЕНИЕ:
В: Что делает фотонные часы особенными среди всех других часов?
О: Простота.
Их легче формулировать, анализировать и интерпретировать, чем другие часы.
Если принцип относительности верен, то должно оказаться, что в конечном счете можно проанализировать любые часы и получить тот же результат, что и световые часы — возможно, потребуется намного больше анализа и интерпретации [устройства, окружения и взаимодействия].

Ладно, думаю, я как-то понял. Поскольку идея относительности (начиная с Галилея) заключается в том, что невозможно узнать вашу абсолютную скорость, поскольку нет абсолютного пространства для обозначения этой скорости, любой эксперимент, который позволяет вам узнать, движетесь ли вы с определенной скоростью в абсолютном выражении не может случиться. Таким образом, если у вас есть много разных часов, включая фотонные часы, и вы видите расхождение между ними, вы можете утверждать, что у вас есть основания полагать, что вы движетесь, что невозможно в абсолютном выражении, поэтому все часы должны вести себя так же, как и часы. фотонные часы. Это правильно?
Это по сути правильно. Важной особенностью принципа относительности является то, что сравниваемые движения являются инерционными (т. е. неускоренными). Нельзя отличить инерцию в состоянии покоя от инерции с ненулевой скоростью.
Ваш ответ не убедителен. Предположим, что у меня есть как световые часы, так и механические, и оба имеют одинаковую скорость в моей собственной системе отсчета. Как бы вы обосновали, что скорости замедления времени остаются неизменными (то есть замедлены на тот же коэффициент), измеренные с точки зрения движущегося наблюдателя? Если движущийся наблюдатель имеет такие же фотонные и механические часы, как и у меня, они также будут неодинаково расширяться с моей точки зрения. Это не может отличить остальных от движущейся рамы.
@MohammadJavanshiry Когда каждые его часы отсчитывают одну секунду, он делает отметку, скажем, на графике. Эта запись инвариантна. Все остальные внешние наблюдатели, независимо от их состояния движения, согласятся с тем, что он говорит, что все его часы тикали одинаково. Итак, какой бы коэффициент замедления времени ни приписывал внешний наблюдатель своим световым часам, он должен также присваивать его наручным часам.
@robphy Будут ли они? Я имею в виду парадокс лестницы, когда одновременные события в одной системе отсчета становятся неодновременными в другой. Когда все находятся в одной системе отсчета, все они могут согласиться с тем, что световые часы и наручные часы тикают в один и тот же момент. Но если кто-то начинает двигаться с релятивистской скоростью, он может больше не согласиться с тем, что часы тикают в одно и то же время. Я думаю, что может потребоваться совместное расположение часов.
@NuclearWang, когда я использую глагол «нести» в своем ответе, я подразумеваю, что все они на его лице (все «совмещены»), как наручные часы ... все эти мировые линии часов совпадают с его собственной мировой линией. Я всегда стараюсь мыслить категориями «собственного времени» (в смысле собственности, собственности, как предлагает Минковский) или «личного времени» (как предлагает Бонди). (Конечно, пространственно-разделенные часы будут приводить к осложнениям при различных обстоятельствах. Если я смогу их избежать, я это сделаю... как я сделал в своем ответе.)
@NuclearWang Робфи не сказал, что все наблюдатели согласятся с тем, что его часы тикают одинаково. Он сказал, что все наблюдатели согласятся с тем, что он говорит , что все его часы тикали одинаково.

Почему фотонные часы эквивалентны всем часам?

Предположим, что в некоторой инерциальной системе отсчета есть фотонные часы и некоторые механические часы, которые совмещены и покоятся в этой системе отсчета.

Условимся далее, что в этом кадре часы идут с одинаковой скоростью, т. е. оба часа «тикают» одновременно .

Теперь, поскольку двое часов совмещены, все инерциальные наблюдатели, движущиеся относительно часов, соглашаются, что тиканье происходит одновременно. Любое замедление времени, наблюдаемое относительно движущимися инерционными наблюдателями, одинаково влияет на оба часа.

Основываясь на моем нынешнем понимании темы, световые часы — это не доказательство замедления времени, а просто подсказка, указывающая на него. Вы абсолютно правы, утверждая, что световые часы не являются доказательством. На самом деле нет никаких доказательств преобразования Лоренца. Преобразования Лоренца не доказаны, постулируются преобразования Лоренца . Эти преобразования — наше лучшее предположение о том, как работает время и пространство в отсутствие гравитации и ускорения. Конечно, мы можем видеть, что наши эксперименты, умственные или физические, согласуются с ними, но это не доказательство, в лучшем случае это рассуждение по индукции.

Такого рода мысленные эксперименты, такие как световые часы, помогают нам угадать правильную форму преобразования, но нет способа их доказать. Это повторяющаяся тема в физике.

Хотя Эйнштейн, возможно, первоначально постулировал их, можно доказать, что преобразования Лоренца являются уникальными линейными преобразованиями при некоторых ключевых предположениях (например, скорость света с в каждой системе отсчета). Неспособность что-то доказать повторяется во многих разделах физики, но не в этом случае. Поэтому, пожалуйста, исправьте свой неправильный ответ, который утверждает, что доказательств нет вообще.
Но вы действительно должны постулировать, что преобразование является линейным, чтобы доказать их из принципов относительности.
Я ничего не говорил о линейности; Я подчеркнул, что уникальность — это то, что вы можете доказать.

Механические часы состоят из зубцов и пружин, которые передают усилия на стрелки часов по сложным путям. Но если вы посмотрите очень внимательно, все эти винтики и пружины состоят из протонов и электронов, удерживаемых вместе электромагнитными силами, и они толкают друг друга, обмениваясь фотонами, как в упрощенной модели фотонных часов.

Это действительно не то, чем являются фотонные часы.

В моем ответе здесь вы можете заменить горизонтальные фотонные часы атомными часами, маятниковыми часами или часами по вашему выбору.

«Движущиеся» фотонные часы находятся в системе отсчета, которая имеет (в принципе) набор синхронизированных часов, распределенных вдоль оси относительного движения к «неподвижной» системе отсчета. Таким образом, любой вывод о фотонных часах должен применяться к другим часам в этой системе отсчета, поскольку они синхронизированы. Тот факт, что какой-то другой наблюдатель измеряет его часы, никоим образом не влияет ни на его часы, ни на их синхронизацию по отношению ко всем другим часам.

Вы спрашиваете: «Почему замедление хода фотонных часов является исследованием самой природы всех часов и самого времени, а не только исследованием природы этих конкретных часов (тем более, если мы учтем, что объяснение опирается на конкретный механизм этих часов для работы)?"

Дело в том, что фотонные часы — это фундаментальные часы, они подобны «элементарной частице» часов. Я буду использовать здесь теоретическое объяснение фотонных часов, где между зеркалами всегда есть вакуум, то есть фотон всегда отскакивает в вакууме.

Это связано с тем, что фотонные часы (без учета массы зеркал) используют только один фундаментальный элемент вселенной, в которой мы живем, а именно свет (ЭМ-волну) и скорость света. Все остальные часы объяснить сложнее, даже атомные часы.

Скорость света всегда равна c, если ее измерять локально в вакууме. Более того, все инерциальные наблюдатели согласятся с этой единственной скоростью, независимо от их относительного движения.

Вы говорите, что в случае с другими часами: «Почему это не какой-то эффект механики этих конкретных часов?» и «только то, что технические характеристики этих конкретных часов делают это возможным, потому что мы изменили их функциональность, изменив физическую среду, в которой они работают», теперь это ключевой момент в вашем вопросе.

Вы не можете изменить функциональность фотонных часов из-за их простоты, их фундаментальности, их элементарности и из-за того, что они используют только один единственный ингредиент, скорость одиночного фотона, отражающегося между двумя зеркалами (где мы пренебрегаем массой зеркал).

Спасибо за это объяснение, но я думаю, что это неправильно. Фотонные часы могут изменить свою функциональность нефундаментальным образом, если, например, мы используем их внутри земной атмосферы (где показатель преломления воздуха будет замедлять фотон), в отличие от того, что произошло бы в космическом вакууме. Я думаю, что правильным ответом может быть тот, который дал Робфи, даже если он не был объяснен слишком подробно.
@Swike правильно, поэтому я сказал, что речь идет о скорости света в вакууме, но я отредактирую. Фотонные часы (как я и думал) всегда являются теоретическими часами с вакуумом между зеркалами. Но я отредактирую.

Ваша исходная позиция неверна. Относительность зависит от одной аксиомы.

  • Общий принцип относительности: Местные законы физики одинаковы независимо от эталонной материи, которую конкретный наблюдатель использует для их количественной оценки.

Отсюда сразу следует, что все часы измеряют одну и ту же единицу времени (с точностью часового механизма). Они работают со скоростью ровно одна секунда в секунду. Замедление времени не влияет на скорость, с которой часы измеряют время. Это очевидный эффект из-за того, как наблюдатель смотрит на движущиеся часы. Вы можете сравнить это с наблюдаемой длиной стержня, расположенного под углом к ​​линии взгляда наблюдателя. Наблюдатель не видит истинной длины.

К сожалению, на заре теории относительности Эйнштейн считал, что наблюдаемые свойства (длину и время) следует рассматривать как физические свойства. Позже он изменил это и ввел общий принцип, согласно которому физические свойства объекта измеряются наблюдателем, движущимся вместе с объектом. К еще большему сожалению, более 100 лет спустя низкокачественные и популярные аккаунты не догнали его.

Распространено заблуждение, что замедление времени — это некий эффект, который препятствует работе часов в результате их движения, что затем заставляет людей задаваться вопросом, почему разные типы часов воздействуют одинаково.

Замедление времени относится к тому факту, что временной интервал между двумя событиями в одном кадре может быть меньше временного интервала между теми же двумя событиями в другом. Меняется фактический интервал времени, а не поведение часов. Если временной интервал равен 4 с в одном кадре и 3 с в другом, это означает, что интервал во втором кадре на самом деле на секунду меньше, и любые точные часы измерят его как таковой.

Если вы вспыхнете светом, обнаруженным некоторое время спустя в вашем кадре, а я прохожу мимо, то в моем кадре свет преодолеет расстояние, отличное от вашего, поэтому, если скорость света одинакова для нас обоих, поэтому мы должны расходиться во мнениях относительно продолжительности пути света, т. е. временной интервал между вспышкой и обнаружением зависит от кадра, и часы любого типа измерят его.

Это потому, что все часы являются производными от фотонных часов. Другими словами, все функциональные часы можно свести к фотонным часам, но не обязательно наоборот (на практике — никогда). Все это вытекает из общей теории относительности Альберта Эйненстена и того факта, что фотоны являются молекулами-посредниками электромагнитных взаимодействий.

Почему фотонные часы эквивалентны всем часам?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v