Glavni Reference Kaj je dilatacija časa?

Kaj je dilatacija časa?

Dilatacija časa se nanaša na idejo, da je čas relativen in teče z različnimi hitrostmi za različne opazovalce, odvisno od določenih dejavnikov.

Dilatacija časa se nanaša na idejo, da je čas relativen in teče z različnimi hitrostmi za različne opazovalce, odvisno od določenih dejavnikov. (Zasluge za sliko: Shutterstock)

Skočiti:

Dilatacija časa se nanaša na na videz nenavadno dejstvo, da čas teče z različnimi hitrostmi za različne opazovalce, odvisno od njihovega relativnega gibanja ali položaja v gravitacijskem polju.

Evo, kako to deluje. Čas je relativen. Čeprav se to sliši protislovno, je posledica Einsteinovegateorija relativnosti. V vsakdanjem življenju smo navajeni, da je hitrost relativna – tako bi na primer avto, ki vozi s 60 mph (97 km/h) glede na mirujočega opazovalca, videl, da se premika s 120 mph (193 km/h) voznik, ki vozi v nasprotni smeri z enako hitrostjo.

Ta isti pojav vpliva tudi na čas. Odvisno od relativnega gibanja opazovalca ali njegovega položaja v gravitacijskem polju bi ta opazovalec izkusil, da čas teče z drugačno hitrostjo kot drug opazovalec. Ta učinek, znan kot dilatacija časa, postane zaznaven le pod določenimi pogoji, čeprav na nizki ravni, smo mu podvrženi ves čas. Oglejmo si podrobneje teorijo dilatacije časa in nekatere njene posledice, vključno z napakami GPS in slavnim paradoksom dvojčkov.

Določena časovna dilatacija

Dilatacija časa je upočasnitev čas kot jih zazna en opazovalec v primerjavi z drugim, odvisno od njihovega relativnega gibanja ali položajev v gravitacijskem polju. To je posledica Einsteinove teorije relativnosti, v kateri čas ni tako absoluten, kot se morda zdi; hitrost, s katero prehaja, je različna za opazovalce v različnih referenčnih okvirih.

Einsteinovo izhodišče je bilo dejstvo, da ima svetloba vedno enako izmerjeno hitrost ne glede na lastno gibanje opazovalca, pravi pokojni profesor fizike na univerzi Michigan State Jon Pumplin . Ta navidezno neškodljiva predpostavka neizogibno vodi do zaključka, da 'premični urni kazalci tečejo počasi.' Ta stavek se pogosto uporablja kot jedrnat opis dilatacije časa, vendar je nekoliko zavajajoč zaradi poudarka, ki ga daje uram, ki so pomembne le, če jih uporabljamo za merjenje časa. Toda resnično bi morali razmišljati o dilataciji časa kot o 'nepričakovani resnici o prostoru in času, ne pa kot o lastnosti ure,' je trdil Pumplin.

Dilatacija časa in hitrost svetlobe

Space Shuttle Discovery vzleti iz vesoljskega centra Kennedy, opazovalci opazujejo 26. julij 2005 v Titusvillu na Floridi. Člani posadke raketoplana bi doživeli dilatacijo časa in bi tako potovanje dojeli kot krajše kot Zemljani na tleh.

Space Shuttle Discovery vzleti iz vesoljskega centra Kennedy, opazovalci opazujejo 26. julij 2005 v Titusvillu na Floridi. Člani posadke raketoplana bi doživeli dilatacijo časa in bi tako potovanje dojeli kot krajše kot Zemljani na tleh.(Zasluge za sliko: Mario Tama/Getty Images)

(odpre se v novem zavihku)

Teorija relativnosti ima dva dela - posebno teorijo relativnosti in splošno teorijo relativnosti - in značilnosti dilatacije časa v obeh. Načelo, dahitrost svetlobeje enak za vse opazovalce, igra ključno vlogo v posebni teoriji relativnosti. Po mnenju fizika z bostonske univerze je ena od njegovih posledic Andrew Duffy (odpre se v novem zavihku), je, da dva opazovalca, ki se premikata s konstantno hitrostjo relativno drug glede na drugega, merita različne čase med istimi dogodki. Toda učinek postane opazen šele pri hitrostih, ki se približujejo svetlobni hitrosti, ki jo običajno simbolizirajo c .

Predstavljajte si vesoljsko ladjo, ki potuje s 95 % svetlobne hitrosti do planeta, oddaljenega 9,5 svetlobnih let. Nepremični opazovalec na Zemlja bi meril čas potovanja kot razdaljo, deljeno s hitrostjo, ali 9,5/0,95 = 10 let. Po drugi strani pa člani posadke vesoljske ladje doživljajo dilatacijo časa in tako potovanje zaznavajo kot trajajoče le 3,12 leta. (Matematika je tu nekoliko bolj zapletena, a do nje bomo prišli kasneje.) Z drugimi besedami, med odhodom iz Zemlje in prihodom na cilj so se člani posadke postarali malo več kot tri leta, medtem ko je za ljudi nazaj minilo 10 let Zemlja.

Čeprav res osupljive situacije, kot je ta, zahtevajo izjemno visoke hitrosti, se časovna dilatacija pojavi v skromnejšem obsegu za kakršno koli relativno gibanje. Na primer, redni letalec, ki vsak teden prečka Atlantik, bi po 40 letih preživel približno tisočinko sekunde manj časa kot nepopotnik, pravi ' Kako zgraditi časovni stroj (odpre se v novem zavihku)« (Grifon sv. Martina, 2013). Knjiga tudi pojasnjuje, kako se lahko v resničnem svetu pojavijo hitrosti, potrebne za bolj impresivne podvige dilatacije časa, vsaj v primeru kratkotrajnegaelementarni delciimenovani mioni. Ti nastanejo, ko kozmični žarki zadenejo zgornjo atmosfero Zemlje in lahko potujejo s skoraj svetlobno hitrostjo. Mioni so tako nestabilni, da ne bi smeli zdržati dovolj dolgo, da bi dosegli zemeljsko površje, vendar jih veliko doseže. To je zato, ker lahko časovna dilatacija podaljša njihovo življenjsko dobo za faktor pet.

Dilatacija časa in gravitacija

Deset let po tem, ko je postavil posebno teorijo relativnosti, je Einstein svojo teorijo razširil na gravitacijske učinke. splošna relativnost . Toda dilatacija časa v tej teoriji ni odvisna od hitrosti potovanja, temveč od moči lokalnega gravitacijskega polja. Na površju Zemlje že živimo v zmernem gravitacijskem polju, zato se izkaže, da smo podvrženi dilataciji časa, ne da bi se tega zavedali. Poleg tega se moč učinka spreminja, ko se premikamo gor in dol v Zemljinem polju.

Gravitacijaje nekoliko šibkejši v zgornjem nadstropju visoke stavbe kot pri tleh, zato je učinek časovne dilatacije šibkejši tudi višje. Čas teče hitreje, čim dlje ste od Zemljine površine. Čeprav je učinek premajhen, da bi ga zaznali človeški čuti, je časovno razliko med različnimi nadmorskimi višinami mogoče izmeriti z izjemno natančnimi urami, kot opisuje profesor fizike Christopher Baird na univerzi West Texas A&M Spletna stran (odpre se v novem zavihku).

Da bi videli bolj dramatičen primer dilatacije gravitacijskega časa, moramo najti nekje z veliko močnejšo gravitacijo kot Zemlja, kot je soseska okoli črne luknje. NASA (odpre se v novem zavihku)razmišljal, kaj bi se zgodilo, če bi uro postavili v orbito 6 milj (10 kilometrov) od a Črna luknja ki ima enako maso kot sonce. Izkazalo se je, da bi ura, gledana skozi teleskop z varne razdalje, potrebovala približno eno uro in 10 minut, da bi pokazala razliko 1 ure.

Enačba časovne dilatacije

Enačba za posebno teorijo relativnosti.

(Zasluge za sliko: Shutterstock)

(odpre se v novem zavihku)

Einsteinova izvirna enačba časovne dilatacije temelji na posebni teoriji relativnosti. Čeprav enačba na prvi pogled izgleda zastrašujoča, ni tako težka, če imamo znanstveni kalkulator in s formulo delamo korak za korakom. Najprej vzemite hitrost v premikajočega se predmeta in ga razdelite na c , hitrost svetlobe in kvadrirajte rezultat. To bi moralo dati številko nekje med 0 in 1. Odštejte to od 1 in izvlecite kvadratni koren; nato obrnite rezultat. Ostalo bi vam moralo število, večje od 1, kar je razmerje med časovnim intervalom, ki ga je izmeril mirujoči opazovalec, in časom premikajočega se opazovalca.

Če se vam to zdi preveč dela, lahko uporabite spletni kalkulator (odpre se v novem zavihku)ki jih zagotavlja Georgia State University. Samo vnesite hitrost, v , kot delček c in samodejno se prikaže ustrezno časovno razmerje. The isto spletno mesto (odpre se v novem zavihku)ima tudi analogno formulo, ki se nanaša na gravitacijsko dilatacijo časa.

Dilatacija časa v prostoru

Ilustracija vesoljskega plovila Voyager 1, ki potuje skozi medzvezdni prostor.

Ob upoštevanju dilatacije časa in gravitacije se vesoljsko plovilo Voyager 1, izstreljeno leta 1977, izkaže za 1,2 sekunde mlajše od Zemljanov.(Zasluge za sliko: NASA/JPL)

(odpre se v novem zavihku)

Dilatacija časa je za vesoljska plovila dvojnega pomena, tako zaradi njihovih visokih hitrosti kot zaradi spreminjajočih se gravitacijskih polj, ki jih doživljajo. V letu 2020 je skupina študentov na Univerza v Leicestru (odpre se v novem zavihku)v Združenem kraljestvu izračunal učinke dilatacije časa na NASA-ino sondo Voyager 1 v 43 letih po njeni izstrelitvi leta 1977. Posebna relativnost je napovedala, da se je Voyager postaral 2,2 sekunde manj kot mi na Zemlji. Toda splošna relativnost temu delno nasprotuje. Doživljamo močnejšo gravitacijo kot vesoljsko plovilo, zato se je sonda v tem smislu starala približno 1 sekundo več kot mi. Če združimo oba učinka, se Voyager vseeno izkaže za mlajšega od Zemljanov, a le za približno 1,2 sekunde.

Takšni izračuni se morda zdijo neresni, vendar so lahko zelo pomembni v situacijah, ko je natančen čas ključnega pomena. V primeruGPS satelitiki se uporablja za navigacijo, lahko na primer časovne napake le nekaj nanosekund (milijardink sekunde) povzročijo napako pri določanju položaja za stotine metrov, kar je očitno nesprejemljivo, če poskušate natančno določiti določen naslov. Za dosego želene natančnosti mora sistem GPS upoštevati časovno dilatacijo, ki lahko znaša do 38 mikrosekund (milijonink sekunde) na dan, glede na Richard W. Pogge (odpre se v novem zavihku), ugledni profesor astronomije na državni univerzi Ohio. Kot v primeru Voyagerja k tej številki prispevata tako posebna kot splošna relativnost, pri čemer 45 mikrosekund prihaja iz gravitacijske dilatacije časa in minus 7 mikrosekund zaradi učinka, povezanega s hitrostjo.

Paradoks dvojčkov

Ena najbolj osupljivih posledic dilatacije časa je tako imenovani paradoks dvojčkov. V tem miselnem eksperimentu en enojajčni dvojček živi na Zemlji, medtem ko se njun dvojček odpravi na povratno potovanje do oddaljene zvezde s hitrostjo, ki se približuje svetlobni hitrosti. Ko se ponovno srečata, se potujoči dvojček – zahvaljujoč dilataciji časa posebne relativistične vrste – postara veliko manj kot tisti, ki je ostal doma. Navidezni 'paradoks' izvira iz zmotnega prepričanja, da je situacija simetrična - z drugimi besedami, da bi lahko tudi rekli, da potujoči dvojček miruje glede na dvojčka, ki je povezan z Zemljo, kar pomeni, da bi se Zemljan postaral manj kot zvezdni dvojček. . .

A ni tako, ker situacija ni simetrična. Ko posebna relativnost govori o relativnemgibanje, nanaša se na gibanje pri konstantna hitrost v ravni črti . Tukaj ni tako. Ker sta dvojčka skupaj na začetku in koncu potovanja, mora popotnik pospešiti z mesta do najvišje hitrosti in se nato na neki točki obrniti in se vrniti v nasprotno smer, preden nazadnje zmanjša hitrost in se spet ustavi. Te faze pospeševanja in pojemka prinašajo splošno relativnost, ker imajo podobne učinke kot gravitacijsko polje, glede na ' Paradoks: Devet največjih enigm v fiziki (odpre se v novem zavihku)(Krona, 2012). Ko izračunamo ta pospešek, se izkaže, da je nekaj podobnega potovanje skozi čas , se vesoljski dvojček res stara počasneje kot zemeljski.

Dodatni viri časovne dilatacije

Prvotno objavljeno na Live Science .

Zanimivi Članki