Tidfördröjning: Varför sänker tyngdkraften tidens strömning?

Anonim

På våren 1905 gick en reticent Einstein ombord på en spårvagn några miles från Zytglogge Tower - det överdådiga klocktornet som dominerar Bern - hemma. Einstein, en enda patentansvarig, sätta in sitt arbete så fort han kunde tänka på universums sanningar i sin fritid. Det är Einsteins rena geni att medan vi lurar våra fantasier som dagdrömmar, refererar vi reverentiellt till hans som tankeförsök . Och ett av hans tankeförsök som framkallade på den här spårvagnen revolutionerade modern fysik.

Kramgasse (matare slinga) med Zytglogge klocktorn, Bern, Schweiz. (Foto Kredit: Daniel Schwen / Wikimedia Commons)

Einstein tänkte på vad som skulle hända om spårvagnen skulle resa med ljusets hastighet. Med det stora klocktornet i hans ögon visste Einstein att om han reser 186.000 mil per sekund så skulle klockans händer, som redan rörde sig så högtidligt, nu tyckas frysa helt. Samtidigt visste Einstein att händerna vid sidan om klocktornet skulle vara i sidled konventionellt - tiden skulle springa normalt. För Einstein var dock tiden långsammare. Han drog slutsatsen att ju snabbare du rör dig genom rymden, desto långsammare går du genom tiden. Hur var detta möjligt?

Einsteins dilemma

Inget färdas snabbare än ljusets hastighet. (Fotokredit: Pexels)

Newtons lag antydde att hastigheter alltid är relativa. Bilens hastighet på 40 mph är 40 mph relativt en stationär observatör, men bara 20 mph i förhållande till en bil som reser intill den vid 20 mph. Eller, 60 mph till samma bil whizzing av i motsatt riktning. Detta begrepp av relativ hastighet är oförenlig med Maxwells uppenbarligen grundläggande faktum när den appliceras på ljusets hastighet. Detta presenterade Einstein med ett djupt dilemma.

Motsägelsen ledde Einstein till att göra en överdriven men även en av de mest banbrytande påståenden i fysikens historia - en sammanslagning av uttalanden som naturligtvis inte är överraskande alls. För att förstå motsättningen och följaktligen varför tiden saktar ner, överväga ett annat genialt tankeexperiment, en av Einsteins absolut bästa. Einstein föreställde sig en man på en stationsplattform, på båda sidor om vilka två blixtbultar slår till. Mannen som stod mitt i de två punkterna, observerar de resulterande ljusstrålarna från båda sidor samtidigt.

Men saker blir sällsynta när en kollega på ett tåg ser den här scenen medan han rör sig förbi den med ljusets hastighet. Enligt rörelsens lagar kommer ljus från bulten närmare tåget att nå mannen tidigare än ljuset från bulten längre från tåget. Mätningen av ljusets hastighet som gjorts av båda männen kommer att skilja sig åt i sin storlek. Men hur är detta möjligt när vi minns att ljusets hastighet, enligt Maxwell, måste vara konstant, oavsett observatörens rörelse - ett så kallat "grundläggande" faktum i universum?

För att kompensera för denna avvikelse föreslog Einstein att tiden själv saktade sig så att ljusets hastighet var konstant! Tiden för mannen på tåget gick långsammare i förhållande till tiden för mannen på plattformen. Einstein kallade den här tiden dilation.

Gravitational Time Dilation

Enligt generell relativitet sträcker sig materien upp och kontrakterar rymdtidens tyg, så att föremål inte är mystiskt dragna mot jordens mitt, utan snarare pressas nedåt av det krökta utrymmet ovanför dem . Emulerar en sluttning accelererar krumningstiden för rymdtid objekt som rör sig nedåt, även om hastigheten för denna acceleration inte är densamma på alla punkter. Tyngdkraften är starkare mot jordens yta, där krökningen är intensivare än den ligger på kanten.

Trots att det är tekniskt felaktigt är trampolinanalysen det enklaste sättet att förklara spridning av spridningstiden på grund av närvaron av en stor massa.

Om tyngdkraften ökar när vi rör sig nedåt, faller ett fritt fallande objekt snabbare vid en punkt på ytan, säg B, än den gör på en högre höjd, säg A. För det fritt fallande objektet, enligt Särskild relativitet, tiden vid B måste passera relativt långsammare än den skulle passera vid A, eftersom objektets hastighet är snabbare vid B.

Vad är tid?

Vad är tid?

Hänvisa igen till Einsteins tankar i spårvagnen. Är utseendet på den långsammare klockan en begränsning av vår primitiva neurologiska uppbyggnad, eller stannar tiden verkligen ? Och vad menar tiden saktar, menar även? Den tidiga capriciousnessen tvingar oss att fråga - vad är tiden själv? Det här är inte bara en fråga som obnoxious filosofi undergrads frågar varandra på frat fester. Begreppet tid har förvirrat naturfilosofer och fysiker sedan antiken.

Tidens primära funktion är att hålla ett kronologisk spår av händelser. Men fram till de senaste 400 åren bestämde människor tiden för antagandet att stjärnor flyttade runt oss, snarare än att jorden rör sig runt dem. Trots den felaktiga grunden för sin inferens, gick "tiden" fortfarande bra. Det fungerade eftersom dagar och årstider upprepade förutsägbart, och när du har något som upprepas förutsägbart, har du en tidsmekanism.

En arkaisk klocka. (Credits: TeePhoto / Shutterstock)

Galileo använde den rekursiva karaktären hos en sådan mekanism för att beräkna rörelse. Beskrivning av rörelse skulle vara omöjlig utan någon tidsspecifikation. Men den här tiden var aldrig absolut. Även när Newton formulerade rörelsebestämmelserna, rekryterade han en uppfattning om tid där två klockor inte kryssar i steg med en absolut, oberoende tid, utan snarare med varandra . Synkronisering är anledningen till att vi har byggt så mycket sofistikerade och exakta klockor.

Denna tidsbegrepp är strukturerad på simultanitet, en samtidighet eller ett avgörande sammanträffande av två händelser, såsom tågets ankomst och en unik anpassning av händerna på en klocka precis när tåget anländer. Einsteins teori säger att dessa sammanfaller måste påverkas av hur man rör sig. Om de två observatörerna på plattformen och tåget inte kan komma överens om vad som är samtidigt, kan de inte komma överens om hur tiden själv flyter!

För att förstå rörelsens inflytande på förutsägbarhet, låt oss överväga den enklaste tidsbehandlingsmekanismen. Föreställ dig en tidsåtgärdsapparat bestående av en foton som reflekterar fram och tillbaka mellan två finjusterade speglar. Låt oss hålla med om att en sekund passerar varje gång fototonen reflekterar. Häng nu två sådana klockor på punkterna A och B ovan och på jordens yta (diskuterad i föregående avsnitt) och låt dem mäta tiden precis när det friläggande objektet faller förbi dem. Det fritt fallande objektet mäter tiden som passerar i sin egen referensram med en liknande klocka. Vad mäter de?

Att observera reflektion av en foton mellan två rörliga speglar är analog med att observera en tennisboll studsande i ett rörligt tåg. Även om bollen studsar vinkelrätt mot någon i tåget, för en stationär observatör utanför den, studsar bollen i trianglar .

När apparaten rör sig framåt verkar fotonen, efter att den först släpptes, som bollen, röra ett längre avstånd efter det att det reflekteras. Vår tidsmätning har därför förvrängt! Dessutom, ju snabbare anordningen rör sig, desto längre foton tar sig för att reflektera, och sträcker därigenom längden på en sekund! Det är därför tidens flöde vid punkt B visar sig vara långsammare än vid punkt A (minns hur objektet faller snabbare vid punkt B på grund av gravitation än punkt A). Denna programmerbara grafik begränsar fotonens triangulära rörelse och följaktligen fördröjningen i tidens strömning briljant.

Självklart är skillnaden oändlig. Skillnaden mellan tiden som mäts med klockor på toppen av bergen och på jordens yta är nanosekunder. Ännu är Einsteins upptäckt inget annat än banbrytande. Gravity hindrar verkligen tidens flöde, vilket innebär att ju mer massiva objektet, desto långsammare tid passerar i närheten.

Med detta sagt valet av ljusklockor för att bevisa detta verkar bekvämt, med tanke på att hela artikeln talar om att sänka ljuset. Tidutvidgningen påverkar emellertid varje klocka, oavsett om den bygger på det enklaste av ett elektromagnetiskt fenomen eller en komplex kombination av elektromagnetism och Newtons rörelseprinciper. Allmän relativitetens universalitet försäkrar detta. Faktum är att även biologiska processer och därmed tid utvidgas. Ja

.

ditt huvud är lite äldre än dina fötter!