Почему гравитация вызывает замедление времени?

Я знаю, что было несколько сообщений, задающих одни и те же или похожие вопросы, но я не смог понять это, прочитав существующие вопросы. Мой вопрос: почему гравитация вызывает замедление времени? Чтобы быть немного более конкретным в том, что меня смущает, позвольте мне дать свое текущее понимание, и, надеюсь, кто-то сможет объяснить мне, где я ошибаюсь.

В настоящее время я понимаю, что, хотя мы думаем о своем движении как о движении через три пространственных измерения, мы также движемся через четвертое измерение — время — очень похожим образом. Хотя время кажется другим, на самом деле оно очень похоже на пространственные измерения, и вместе они составляют «пространство-время». Вся материя во Вселенной заставляет пространство-время «искривляться» в зависимости от массы. Вот почему планеты вращаются вокруг Солнца — на самом деле они просто пытаются следовать инерционной «прямой линии», но эта прямая линия искривлена ​​из-за искривления пространства-времени (эта «изогнутая прямая линия» называется геодезической). Это объясняет, почему объекты, которые уже движутся, «меняют направление» в присутствии других массивных объектов — эффект, известный как гравитация.

Кроме того, объект, который еще не движется, например яблоко, висящее на дереве, упадет на землю, когда его стебель оторвется от дерева. Это похоже на причину, по которой объекты движутся по орбите — яблоко «меняет направление», чтобы следовать искривленному пространству-времени. Хотя казалось, что оно не движется, на самом деле оно двигалось — но во временном измерении, а не в каком-либо из трех пространственных измерений. Поскольку пространство-время искривлено, яблоко больше не движется прямо во временном измерении — оно следует изогнутой геодезической, которая немного изгибается от временной оси к пространственным осям.

Чем массивнее объект, тем более искривленной будет геодезическая — и тем больше яблоко будет отклоняться от оси времени. Составляющая его движения по оси времени станет меньше, а значит, он будет «стареть» медленнее. Другими словами, из-за искривления пространства-времени пространственные измерения «крадут» движение из временного измерения. Это также объясняет, почему, когда объекты движутся быстрее, время замедляется — они «крадут» движение во временном измерении, чтобы добавить больше движения в пространственные измерения, так что четыре компонента всегда дают в сумме одно и то же число.

Вот тут я чувствую, что мое понимание разваливается. Прежде чем яблоко упало, оно держалось за ствол дерева. Это мешало ему двигаться в пространственных измерениях, и поэтому все его движение оставалось по оси времени. Тем не менее, поскольку он все еще находится в присутствии гравитационного поля, он испытывает замедление времени; время движется медленнее, хотя пространственные измерения не «крадут» движение из временного измерения. Почему это?

Единственное, о чем я могу думать, это то, что пространство-время не только искривляется, но и растягивается, поэтому, хотя яблоко все еще движется только во временном измерении, ось вытянута, поэтому ему нужно двигаться «дальше», чтобы попасть в ту же точку. , фактически замедляя время.

Вы говорите, что прочитали несколько существующих вопросов по этой теме; не могли бы вы включить ссылки на них?
Кип Торн представляет хороший пример в «Черных дырах и деформации времени», но он может показаться вам слишком простым. NB - это упоминается в этом вопросе: physics.stackexchange.com/questions/397909/…
Возможные дубликаты: physics.stackexchange.com/q/110669/50583 и связанные с ним вопросы.

Ответы (7)

Боюсь, ваше аллегорическое объяснение того, почему гравитация вызывает замедление времени, еще больше сбивает с толку. Физическая реальность измеряется метрикой системы отсчета, из которой состоят координаты, но отдельные координаты не обязательно имеют конкретное значение в ОТО (общая теория относительности).

Принцип эквивалентности Эйнштейна позволяет описывать гравитацию в терминах геометрии (метрики) искривленного пространства-времени.

Если мы рассмотрим статическую (Шварцшильдовскую) сферическую массу, кривизна в радиальном направлении будет другой, а собственное время неподвижных наблюдателей, заданное метрикой, постепенно замедляется по мере приближения к массе по сравнению со временем, измеренным наблюдателем, находящимся далеко. от массы.

Замедление времени СТО (специальная теория относительности) — это все же другое понятие, поскольку оно симметрично между двумя наблюдателями, находящимися в равномерном относительном движении. Вместо этого гравитационное замедление времени несимметрично; на самом деле неподвижный наблюдатель измеряет сокращение времени по сравнению с удаленным наблюдателем.

Джалон,

Я понимаю ваше замешательство. Представьте, что ваше яблоко висит на дереве. Четыре вектора скорости наклонены в пространственное измерение, эта составляющая и есть та сила, которую ощущает ветка, тянущая яблоко вниз.

Возможно, будет полезно рассмотреть четыре связанных компонента импульса и понять, что пространственный компонент импульса вашего яблока постоянно тянет за ветку, даже если оно не движется в этом направлении.

Для ужасной аналогии предположим, что у нас есть маленькая игрушечная машинка, колеса которой всегда вращаются по полу с постоянной скоростью. Если мы прислоним его к стене под каким-то очень малым углом (скажем, к стене без трения), автомобиль теперь будет двигаться вдоль стены медленнее, чем если бы он двигался строго параллельно ей. потому что теперь оно действует на стену так же, как яблоко на ветку дерева.

Не уверен, что я объяснил это для вас (: Надеюсь, это поможет!

Вы говорите «импульс», который состоит из массы и скорости. Но когда яблоко висит, оно не имеет скорости в пространственных измерениях, а значит, и импульса, верно? Итак, весь импульс должен быть во временном измерении, верно? И 4-скорость всегда должна быть равна c, то есть он все еще движется во времени на полной скорости? В примере с автомобилем автомобилю не нужно поддерживать постоянную скорость, такую ​​​​как c (нормальная 3-скорость), и колеса приводятся в движение постоянной силой от двигателя. Но нет энергии, постоянно подталкивающей яблоко к дальнейшему движению в точке c.
@Джахлон. Четыре скорости не с. Рассмотрим яблоко на Земле и другое тело, покоящееся относительно него вдали от гравитационного поля Земли. Они находятся в покое относительно друг друга, но имеют разную продолжительность времени. Мне нравится думать об этом как о четырех скоростях на земле, наклоняющихся в пространственные измерения.
Да, я считаю, что это имеет смысл. Я думаю об этом так, что и яблоко, и отдаленное тело находятся в движении. Удаленный объект движется только во времени. Но яблоко находится в гравитационном поле, которое изгибает оси. Таким образом, хотя яблоко все еще пытается двигаться в том же направлении, это направление больше не совпадает с осью времени — вместо этого есть компонент на оси времени, а также небольшой компонент на оси пространства. В результате яблоко продолжает двигаться во времени, но медленнее, а оставшаяся составляющая полной скорости приходится на пространственную ось.

Нахождение в силе гравитационного поля г эквивалентно ускорению г . Поскольку это означает, что тело не может оставаться в покое ни в одной фиксированной системе отсчета, следует ожидать замедления времени.

Почему быть на расстоянии р из точечной массы М умножить ход времени на 1 − 2 г М р с 2 ? Потому что это ценность 1 − в 2 с 2 когда в "=" 2 г М р , ньютоновская предельная скорость убегания. Другими словами, гравитационное замедление времени равно замедлению времени космической скорости в дальнем космосе, где достигается предел слабого поля.

Не уверен, что это отвечает на мой вопрос. Я понимаю, что гравитация вызывает ускорение, но в случае яблока причина, по которой оно не ускоряется, заключается в том, что ему противодействует сила — сила натяжения стебля, удерживающего его на дереве. Так ускорение компенсируется - не так ли? Пытаясь понять это концептуально в контексте искривления пространства-времени...
@Jahlon Я не уверен, почему ты упоминаешь о свободном падении яблока. Его привлекает масса, но он не испытывает замедления времени. Гравитационное замедление времени испытывают наблюдатели, находящиеся на разном постоянном расстоянии от центра масс. Это требует зависания (имеется в виду ускорение за счет ракетной тяги) или стояния на поверхности, например, планеты, что не имеет значения.
Свободное падение яблока эквивалентно равномерному движению яблока в плоском пространстве-времени.
Ключом к гравитационному замедлению времени является правильное ускорение, которое при свободном падении равно нулю.

Вы, кажется, тянетесь к эвристике. (Здесь под «эвристикой» я подразумеваю ментальную картину, которая позволяет вам упорядочить свои мысли.)

Если это так, я предлагаю вам изучить модель Ривера в общей теории относительности.

Как подчеркивали Гамильтон и Лайл (авторы этой статьи), речная модель не является физической теорией. Это инструмент, который помогает вам увидеть согласованность, которую иначе вы бы не увидели.

Общие замечания о понимании физики:

Всегда очень приятно, когда физическое объяснение продвигает наше понимание на более глубокий уровень. Пример: когда вы добавляете соль в контейнер, наполненный льдом (и немного талой воды), почему температура этой смеси соли/воды/льда падает? Это можно объяснить с помощью концепции атомов и статистической механики. Очень заманчиво ожидать, что все физические теории делают это за нас.

Но есть много случаев, когда вам нужно просто предположить что-то без объяснений, чтобы вообще сформулировать теорию. Примером может служить предшественница ОТО: закон всемирного тяготения Ньютона. Во времена Ньютона не было никакой перспективы объяснить, как гравитация может действовать на огромных расстояниях Солнечной системы. Ньютон утверждал: достоинство этого закона всемирного тяготения в том, что он объединяет: он описывает и орбиты планет, и гравитацию на Земле. Благодаря этому физическое сообщество приняло закон всемирного тяготения.

Общая теория относительности — это набор допущений, которые вместе ограничивают уравнения гравитации и движения. Но сами эти предположения не объясняются. Эйнштейн решил сформулировать одно конкретное предположение в качестве ключевого: принцип эквивалентности. Вы должны принять это, иначе вы не сможете даже начать формулировать теорию.

Принцип эквивалентности кажется универсальным. Но в настоящее время у нас нет более глубокой теории, которая бы объясняла, почему принцип эквивалентности применим в нашей Вселенной. Концепция искривления пространства-времени естественным образом возникает в контексте PoE, но это интерпретация, и важно не переусердствовать с ней. Я скорее подозреваю, что ваша метафора «кражи» движения из одного измерения в другое — это такая чрезмерная интерпретация концепции искривления пространства-времени.

Я думаю, вполне интуитивно объяснить гравитационное замедление времени с помощью принципа эквивалентности и световых часов. В EP говорится, что вы не можете отличить ускорение в плоском пространстве от зависания на постоянном расстоянии от центра масс.

Представьте ящик с постоянным ускорением в плоском пространстве-времени. Световые импульсы, посылаемые сверху, принимаются снизу. Пока свет все еще движется, дно ускоряется к нему. Поэтому часы внизу измеряют более короткие интервалы между двумя импульсами, чем часы вверху. Если верхние часы показывают, скажем, 2 часа прошедшего времени, нижние часы могут показывать 1 час (в зависимости от ускорения). Поскольку этот сценарий эквивалентен парящему рядом с черной дырой ящику, нижние часы идут на столько же медленнее, чем верхние часы, если ускорение одинаково.

Я думаю, может быть, я не понимаю принцип эквивалентности. Если вы парите рядом с черной дырой на постоянном расстоянии, вы на самом деле не ускоряетесь, верно? Что-то должно удерживать вас там, чтобы нейтрализовать ускорение из-за гравитации черной дыры (например, ракетные двигатели). Таким образом, ваше чистое ускорение равно 0. В примере с коробкой свет на самом деле ускоряется по направлению к нижней части коробки, и ничто не компенсирует это ускорение. Я думаю, что я должен упустить основную концепцию относительно EP...
«Если вы парите рядом с черной дырой на постоянном расстоянии, вы на самом деле не ускоряетесь, верно?» Нет, ящик должен ускоряться, чтобы сохранять постоянную дистанцию. Если он стоит на платформе, то должен ускориться. В противном случае коробка находилась бы в свободном падении. Стоя на земле, вы чувствуете такой же вес, как если бы вы были в ракете, скажем, на высоте 10 м над землей, которая ускоряется с g. Ракета будет неподвижна на постоянном расстоянии - 10 м - над землей.
«В примере с коробкой свет на самом деле ускоряется по направлению к нижней части коробки, и ничто не компенсирует это ускорение». Свет движется с направлением вниз, которое ускоряется вверх, что делает интервалы между импульсами, достигающими дна, короче. Я когда-то видел видео, показывающее это. Если найду, покажу здесь.

Потому что время является расчетным результатом расстояния/скорости. Несмотря на то, что у вас есть субъективное восприятие времени как реальной вещи, Время не является независимо существующей сущностью, такой как звук, свет или другие вещи, которые вы ощущаете. По мере увеличения вашей скорости люди в стационарной системе покоя (относительно вас) видят, между вещами в вашей системе координат меняются. Вспомните пример с поездом, движущимся со скоростью, близкой к скорости света, и проезжающим мимо вас кажется укороченным. Поэтому неподвижные люди (даже если они не на вокзале) считают, что для вас время течет медленнее, чем для них.

Этот ответ, кажется, объясняет, почему увеличение скорости вызывает замедление времени, с чем я полностью согласен (и описано в моем первоначальном посте). Меня смущает то, что это замедление времени вызвано простым пребыванием в гравитационном поле без перемещения в пространстве.
если вы находитесь в лифте, вы не знаете, 1) вы находитесь на земле или 2) вы находитесь в космосе и ускоряетесь. В случае (1) вы находитесь в гравитационном поле. В случае (2) вы двигаетесь все быстрее. Если вы принимаете мое простое объяснение того, почему скорость вызывает замедление времени, то сидеть в гравитационном поле — это то же самое.

Я не думаю, что существуют теории на тему «Почему». Но могут быть способы уладить дела в уме. Я бы попробовал это -

Время — это, по сути, тактовая частота событий. Предположим, что дыхание — это событие. Вы находитесь на уровне моря, у вас своя частота дыхания. Затем вы ныряете под воду на 10 футов с дыхательным аппаратом. Частота вашего дыхания изменяется из-за стресса/давления, вызванного глубиной. Я думаю, что под водой труднее дышать, и дыхание замедляется. Вы ныряете глубже, и дыхание замедляется еще больше.

Точно так же существование внутри гравитационного поля испытывает некоторый стресс, который замедляет скорость всех событий, включая субатомные события. Вот почему гравитационное замедление времени зависит только от гравитационной глубины, а не от гравитационного ускорения. Таким образом, даже в менее искривленных геодезических время может идти медленно в зависимости от гравитационного потенциала. Например, в центре Земли нет геодезической кривой (или уклона), но замедление времени там больше, чем на поверхности. Итак, это глубина, а не наклон кривой.

Точно так же скорость вызывает стресс и замедляет события.

Существует связь между двумя факторами - гравитационным замедлением времени и скоростным замедлением времени -

Замедление времени в гравитационном поле равно замедлению времени в дальнем космосе из-за скорости, необходимой для выхода из этого гравитационного поля.

Вот доказательство - https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_time_dilation#Important_features_of_gravitational_time_dilation

Почему гравитация вызывает замедление времени?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v