Откуда мы знаем, что замедление времени применимо не только к свету, но и к другим объектам?

Эмпирический ответ на этот вопрос прост: период полураспада радиоактивных лучей, измеренный в лабораторных условиях, больше, чем у тех же частиц в состоянии покоя.

Впервые это было замечено в контексте мюонов космических лучей, а затем в адронных брызгах, возникающих в результате глубоконеупругого рассеяния, и в наши дни мы строим ускорители частиц, которые заранее обдумывают радиоактивные изотопы до высоких энергий.

Итак, короче говоря: мы измеряем эти вещи все время.

Замедление времени применимо как к световым часам, так и к материи (часам).

На самом деле это вытекает из следующего закона...

1. Скорость света является абсолютным пределом скорости для материи.

Если взять свойство материи, скажем, температуру, то это просто средняя кинетическая энергия частиц, движущихся относительно друг друга. Если эти частицы находятся в системе отсчета, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, то они испытают замедление времени. Это означает, что частицы будут двигаться медленнее (относительно друг друга) с точки зрения неподвижного наблюдателя.

Почему это?

Ну, частицы не могут двигаться со скоростью света, НО если бы вы представили, что они движутся, вы бы увидели, что они не могут двигаться относительно друг друга из-за пункта 1 выше. Например, они уже движутся со скоростью света в одном направлении, поэтому у них не может быть скорости в любом другом направлении (кроме замедления), иначе они двигались бы быстрее скорости света. Например, для них время «заморожено». Более реалистично, если вы представите, что они имеют скорость, близкую к скорости света, тогда вы увидите, что они не могут иметь большую скорость в других направлениях, иначе они снова будут двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Так что теперь они движутся медленнее друг относительно друга ¹ .

Таким образом, глядя на температуру, мы можем сделать вывод, что движение частиц относительно друг друга также замедляется (с релятивистскими скоростями). Если мы подумаем о нашем теле (у него есть температура) и обо всем движении внутри него (например, о клетках крови, циркулирующих по телу и т. д.), мы увидим, что опять-таки из-за пункта 1 выше движение клеток ограничено скоростью кадра. отсчета, в котором они находятся. Таким образом, все движения в нашем теле также замедлятся с той же скоростью. Например, мы будем стареть медленнее.

По сути, все, что состоит из материи, будет двигаться/стареть медленнее на релятивистских скоростях по той же причине. Даже внутри атома есть движение, поэтому внутриатомные процессы также подвержены замедлению времени.

Таким образом, неважно, какой тип часов вы выберете, будь то легкие часы, атомные часы или механические часы, все они замедляются одинаково. И поскольку все замедляется с одинаковой скоростью, вы не замечаете ничего другого, например, с точки зрения человека, находящегося в стационарной системе отсчета, который замечает замедление времени в проходящем мимо космическом корабле. Время на космическом корабле движется со своей нормальной скоростью. Лучший способ думать об этом состоит в том, что ваше мышление также замедляется, поэтому оно работает с той же замедленной скоростью, что и все вокруг него.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Из Википедии (и в ответ на комментарий ниже):

1. Первый постулат (принцип относительности)

Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не затрагиваются, относятся ли эти изменения состояний к той или иной из двух систем координат, находящихся в равномерном поступательном движении. ИЛИ: Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

2. Второй постулат (инвариантность c)

В любой инерциальной системе отсчета свет всегда распространяется в пустом пространстве с определенной скоростью с, не зависящей от состояния движения излучающего тела. ИЛИ: Скорость света в свободном пространстве имеет одно и то же значение c во всех инерциальных системах отсчета.

Рассмотрим космический корабль, движущийся со скоростью 0,95 с , и этот космический корабль выпускает снаряд вперед (в направлении движения) со скоростью 0,25 с (измеренная кем-то на космическом корабле) и в то же время выпускает световой луч в том же направлении.

Из № 2 выше и стационарная система отсчета, и система отсчета космического корабля будут измерять световой луч, движущийся в точке с .

Из № 1 выше этот сценарий такой же, как если бы он выполнялся в системе отсчета космического корабля, как если бы он выполнялся в стационарной системе отсчета. Например, если выполняется в стационарной системе отсчета, снаряд вылетает за лучом света. Следовательно, это также имеет место в системе отсчета космических кораблей.

Таким образом, неподвижный наблюдатель видит, как световой луч выходит из космического корабля со скоростью с , а снаряд позади него движется с меньшей скоростью (где-то между 0,95 с и с , т. е. всегда досветовой скоростью). Так будет всегда, снаряд всегда будет медленнее скорости света. Если бы это было не так (и снаряд мог бы лететь быстрее света), то пункт 1 выше не мог бы быть правдой, поскольку снаряд догнал бы свет в одной системе отсчета, но не в другой (системы отсчета не были бы эквивалентны ).

Таким образом, из № 1 и № 2 выше вы не можете сложить скорости системы отсчета и снаряда, как вы можете интуитивно подумать. Даже если система отсчета движется на 0,99 с и снаряд летит вперед на 0,99 с , результирующая скорость (измеряемая неподвижным наблюдателем) все равно будет меньше с . Таким образом, если скорость материи начинается ниже с, то она никогда не может быть ускорена выше с .

Логическим выводом из этого является то, что замедление времени должно происходить на высоких скоростях (например, для кого-то на космическом корабле). Неподвижный наблюдатель отмечает, что снаряд движется вперед (относительно корабля) довольно медленно (<0,01 с ). Они также отмечают, что время для человека на космическом корабле замедлилось, поэтому с их точки зрения (если вы ускорите время для человека) они увидят, что снаряд покидает их со скоростью 0,99 с .

^{1. Интересно отметить, что газ, движущийся с релятивистскими скоростями (с точки зрения стационарной системы отсчета), подобен конденсату Бозе-Эйнштейна.}

Чтобы добавить к ответу Дмки , нарушения лоренц-инвариантности активно ищутся как основная часть современной физики, потому что такие нарушения согласуются с некоторыми теориями, выходящими за рамки стандартной модели и за пределами ОТО, и до сих пор ни одно из них не было обнаружено . См. Резюме на странице Википедии «Современные поиски нарушения Лоренца» . Дмки не шутит, когда говорит, что этот материал постоянно проверяется независимо от электромагнитного поля, что делает ковариацию Лоренца одним из наиболее экспериментально подтвержденных результатов в физике.

Если вы хотите посмотреть на это немного по-другому, то вы можете подумать об относительности Галилея , которая вытекает из первого постулата относительности и, по сути, была утверждением, что ни один эксперимент не может обнаружить движение системы по инерции, не глядя за пределы этого. рамка. Он описывает этот постулат в своей «Аллегории корабля Славиати» .

Если предположить абсолютное время ( т.е. что время между двумя событиями одинаково для всех инерциальных наблюдателей), то законы преобразования однозначно определяются этим постулатом, а также постулатом однородности пространства и времени и представляют собой группу евклидовых изометрий и галилеевские повышения, как я обсуждаю в своем ответе здесь .

Постулат однородности пространства подразумевает, что преобразования действуют линейно на координаты пространства-времени, как обсуждается в ответе Джошфизика на вопрос Physics SE «Однородность пространства подразумевает линейность преобразований Лоренца» . Еще одна красивая запись факта линейности, вытекающей из предположений об однородности, - это ответ Марка Х на вопрос Physics SE «Почему мы пишем длины следующим образом? Вопрос о преобразовании Лоренца» .

Итак, теперь у нас есть знакомые преобразования Галилея, однозначно определяемые однородностью, первым постулатом относительности и допущением абсолютного времени (что время между двумя событиями одинаково для всех инерциальных наблюдателей).

Если, однако, вы ослабите предположение об абсолютном времени и получите наиболее общую группу преобразований, согласующуюся с однородностью и постулатом «Сальвиати» (первый постулат относительности), вы получите группу Пуанкаре, но с неопределенным$c$. То есть возможно целое семейство групп преобразований, в которое входит теория относительности Галилея (с$c=\infty$), и теперь это становится экспериментальным вопросом о том, каково значение$c$является. Таким образом, вы можете думать о Галилее как об одном из главных создателей концепции относительности, а об Эйнштейне как о парне, который был достаточно смел, чтобы расширить ее, ослабив предположение об абсолютном времени. Я больше говорю об обобщении Эйнштейном теории относительности Галилея в моем ответе на вопрос Physics SE: «Что такого особенного в скорости света?»

Заметьте, мы еще не использовали второй постулат о постоянстве скорости света. Когда мы выводим группу Пуанкаре как обобщение теории относительности Галилея, мы замечаем, что если есть что-то, движущееся со скоростью, заданной этой странной$c$параметра, то его скорость равна$c$во всех системах отсчета. Вывод группы Пуанкаре не показывает, что что-то должно двигаться в$c$, но если бы это было так, то его скорость обладала бы этим необычным свойством инвариантности. Но было бы разумным предположить, что что-то может двигаться с такой скоростью.

Тогда становится экспериментальным вопросом, можем ли мы найти что-то со скоростью, которая трансформируется таким образом. Если мы сможем найти такую ​​вещь, то мы будем знать, что наша Вселенная характеризуется конечным$c$. Конечно, благодаря эксперименту Майкельсона-Морли мы знаем, что свет есть, и это вещь. Из динамических соображений лоренцевых бустеров также следует, что все, что движется со$c$должна иметь нулевую массу покоя.

Итак, эксперимент Майкельсона-Морли с этой точки зрения показывает следующее:

Учитывая однородность пространства-времени и независимость физических законов в стиле корабля Сальвиати от инерциальной системы отсчета (первый постулат относительности), то (1) наша Вселенная характеризуется конечным$c$а не$c=\infty$Галилея, (2) скорость света такая же, как эта$c$, в пределах ошибки эксперимента и (3) свет передается частицей с нулевой массой покоя.

Сам Эйнштейн не поступил так, как указано выше, а вместо этого использовал постулат постоянства скорости света и предположение, что уравнения Максвелла сохраняют свою форму, чтобы вывести ускорение Лоренца. Однако он был первым, кто ясно понял, что нужно отказаться от предположения об абсолютном времени, чтобы все это работало.

Надеюсь, вы видите этот подход к обобщению теории относительности Галилея при ослаблении предположения об абсолютном времени, не зависящем от света. Первым человеком, который ясно понял, что такой подход может быть использован, был, по-видимому, Игнатовский в 1911 году . Даже в статье Эйнштейна 1905 года групповые постулаты упоминаются, но скорее как запоздалая мысль, возможно, даже после обсуждений со своей женой-математиком Милевой Марич , поскольку Эйнштейн, похоже, не считает групповые теоретические идеи центральными в статье.

Я бы сказал, что вам просто нужно взглянуть на два фундаментальных постулата специальной теории относительности (вывод световых часов предполагает, что они оба верны, очевидно, что это экспериментальный вопрос, верны ли они в действительности, но пока все доказательства подтверждают их). Второй постулат говорит, что свет должен измеряться так, чтобы иметь одинаковую скорость c в каждой инерциальной системе отсчета, и это является основанием для вывода, что световые часы показывают замедление времени, наблюдаемое в системе отсчета, в которой они не находятся в состоянии покоя. Первый постулат гласит, что законы физики должны работать одинаково во всех инерциальных системах отсчета — это иногда называют «принципом относительности».который уже был частью классической механики, хотя и без дополнительного постулата о том, что все инерциальные системы отсчета измеряют одну и ту же скорость света. Простой способ представить этот принцип таков: если у вас есть запечатанная лаборатория без окон, движущаяся по инерции в плоском пространстве-времени (без гравитации), без внешних ориентиров для наблюдения за пределами лаборатории, то принцип относительности гласит, что любой эксперимент, который вы проводите внутри lab должен давать один и тот же результат независимо от скорости лаборатории по отношению к любому конкретному выбору системы отсчета (например, система покоя Земли). Итак, скажем, вы поставили эксперимент, чтобы измерить соотношение между тактами двух часов А и В, где А — световые часы с зеркалами на расстоянии одного метра друг от друга, а В — какие-то другие часы, например, механические часы или атомные часы на основе цезия . колебанияили даже часы, основанные на периоде полураспада какого-то радиоактивного элемента. Затем первый постулат говорит, что экспериментально наблюдаемое значение этого отношения должно быть одним и тем же независимо от скорости лаборатории относительно выбранной системы отсчета, и если ваши другие часы B тикают с фиксированной скоростью относительно световых часов A независимо от скорость обоих часов, это означает, что если кадр, в котором движется A, показывает замедление времени A, то B, который движется вместе с ним, должен отображать такое же замедление времени.

Вы как бы сами приводите этот аргумент, но потом говорите:

контраргумент: меня это устраивает, если человек, наблюдающий разницу, находится в рамке часов. Но если это не так, то теория относительности, похоже, удовлетворяет условию, согласно которому, если наблюдатель поезда и «неподвижный» наблюдатель имеют оба типа часов, каждый человек видит часы другого человека как несинхронизированные со световыми часами другого человека. (никто не смотрит на свои часы).

Это основной принцип относительности (и всех теорий, которые присваивают событиям положение и временные координаты) состоит в том, что все системы отсчета должны согласовать, какие пары событий совпадают «локально» в одном и том же месте и в одно и то же время. Если бы это было не так, разные фреймы могли бы расходиться во мнениях по физическим вопросам, например, находился ли человек рядом с взорвавшейся бомбой, когда его секундомер показывал 100 секунд, и, таким образом, не соглашались бы в своих прогнозах о том, прожил ли человек последние 100 секунд! Таким образом, поскольку двое часов А и В могут находиться в непосредственной близости друг от друга и находиться в состоянии покоя относительно друг друга, если в одном кадре указано, что данная пара тактов А и В произошла в одно и то же время и в одном месте, то все другие кадры должны соглашаться.

В задачах относительности принято идеализировать различные объекты как точечные (или бесконечно малые по размеру), поэтому многим объектам в задачах относительности назначаются мировые линии ( где объект имеет одну координату положения в каждый момент времени), а не мировые трубы. В этом случае мировые линии двух объектов могут совпадать в одной точке пространства-времени, поэтому моя фраза «какая пара событий локально совпадает в одном и том же месте и в одно и то же время» имела бы однозначный смысл. Я бы сказал, что проще всего думать о выводе световых часов как о такой идеализации, когда мы можем рассматривать как нижнее зеркало световых часов, так и другие несветовые часы как точечные объекты, мировые линии которых описываются идентичными координатами. .

Если вы хотите иметь дело с более реалистичными моделями протяженных объектов, которые всегда имеют некоторое конечное расстояние между собой, мы можем использовать преобразование Лоренца, чтобы получить следующий вывод: если двое часов синхронизированы в их собственной системе покоя (т. е. они оба показывают одно и то же считывание в заданной временной координате в этой системе отсчета), и они находятся на расстоянии D друг от друга в этой системе отсчета, а затем в другой системе координат, которая измеряет, что часы движутся вместе со скоростью v, в любой заданной временной координате в этой второй системе координат их показания будут отличаться на$vD/c^2$. Таким образом, когда относительная скорость между кадрами приближается к c, часы приближаются к рассинхронизации максимум на$cD/c^2 = D/c$, означая, например, что если двое часов синхронизированы и находятся на расстоянии 0,0000001 световой секунды друг от друга в своей системе отсчета покоя (или 29,9792458 метров), то никакая другая инерциальная система отсчета не увидит, что их время отличается более чем на 0,0000001 секунды в любой данный момент. Так, например, если вы округляете время до ближайшей микросекунды, то для часов с расстоянием между ними 30 метров или меньше можно с уверенностью сказать, что если их время совпадает в любой момент в их собственной системе отсчета, их время все равно будет совпадать. в любом другом кадре. Таким образом, 30-метровое расстояние между световыми часами и другими часами было бы «достаточно локальным», чтобы сделать вывод, что, если они синхронизированы в своей системе отсчета покоя, они по-прежнему кажутся синхронизированными в других системах отсчета, и, таким образом, вторые часы должны расширяться на тот же коэффициент (с точностью до микросекунды), что и у световых часов.

Конечно, этот последний аргумент зависит от того, что вы уже знаете преобразование Лоренца, а если вы знаете преобразование Лоренца, то легко вывести замедление времени непосредственно из него, так что световые часы больше не нужны. Но этот расчет, по крайней мере, ретроспективно показывает, что приближение, состоящее в том, что световые часы и другие часы рассматривались как точечные, было разумным и не ввело нас в заблуждение в наших выводах о замедлении времени.

Они называются преобразованиями Лоренца , потому что Лоренц применил их к свету задолго до того, как Эйнштейн решил применить их и к материи . Они присущи классической электродинамике.

Несоответствие ньютоновской механики уравнениям электромагнетизма Максвелла и невозможность обнаружить движение Земли через светоносный эфир привели к развитию специальной теории относительности, которая корректирует механику для обработки ситуаций, связанных с движениями, близкими к скорости света.

Обратите внимание на «правильную механику». Механика — это поезда и часы.

Именно экспериментальные результаты привели к специальной теории относительности. Мысленные эксперименты с часами и поездами появились намного позже, как интеллектуальные игрушки.

Как говорит Дмки в своем ответе, было проведено бесчисленное множество подтверждений справедливости специальной теории относительности для всех взаимодействий частиц.

Вы комментируете

поскольку утверждается, что двух постулатов достаточно для вывода всего остального.

плюс использование преобразований Лоренца и множества уравнений Максвелла, очень математических.

Постулаты представляют собой общую основу для интерпретации результатов физики того, что моделируют математические модели. Вы никогда не сможете получить преобразования Лоренца только из двух постулатов.

Постулаты в физических теориях не являются аксиомами, как в математических теориях, где все с большим количеством манипуляций выпадает из аксиом. Постулаты определяют соответствие математической модели измеряемым величинам в экспериментах.