Замедление времени
Секрет более продолжительной и счастливой жизни скрыт в теории относительности Эйнштейна
Прочитал любопытную и забавную «теорию» замедления времени в повседневной жизни. Её автор провел аналогию с известным «парадоксом близнецов» Специальной теории относительности (СТО).
Это не только забавно, но и поучительно. Читайте и делайте выводы сами…
Время, похоже, летит, когда мы говорим с привлекательными для нас людьми или когда мы делаем то, что нам нравится. И оно замедляется, когда мы делаем что-то, что нам кажется скучным.
Возможно, это нечто большее, чем кажется на первый взгляд.
Оказывается, наш повседневный опыт времени согласуется с исследованиями Эйнштейна и его Теорией Относительности.
В частности, он согласуется с явлением, называемым Замедление времени ( Time Dilation).
Time Dilation
Если вы видели фильм «Интерстeллар» ( Interstellar), там есть эпизод, в котором три астронавта находятся на большом космическом корабле. Двое из них садятся на меньший десантный корабль, чтобы спуститься на планету с очень сильным гравитационным полем.
Они остаются на поверхности этой планеты в течение всего нескольких минут. В течение этого времени они сталкиваются с огромными волнами и, едва уцелев, возвращаются на своем десантном аппарате на большой космический корабль, который ждет их на орбите. Вернувшись, они обнаруживают, что третий астронавт ждал их уже много лет.
Это пример замедления времени.
Все астронавты находились в обычном течении времени, но в разных условиях. Астронавт, который подвергался меньшей гравитационной силе в более крупном космическом корабле, прожил несколько лет, а те, кто посетил гравитационную планету — несколько минут.
Умопомрачительно! Не так ли?
Почему это происходит?
Для людей, которые подвержены различной силе гравитации, время течет с разной скоростью, хотя, по их собственному опыту, время, похоже, проходит с нормальной скоростью.
Но не только гравитация может вызвать замедление времени. Скорость также может сделать это.
Например, если один из близнецов останется на Земле, а другой какое-то время будет путешествовать на космическом корабле, движущемся с большой скоростью, то по возвращению обнаружится, что оставшийся на Земле брат-близнец прожил больше времени, чем космический путешественник.
Так что же такое замедление времени?
Согласно теории относительности Эйнштейна, замедление времени (Time Dilation) происходит, если вы попадаете в условия большой гравитации или движетесь на большой скорости, то по возвращению на Землю вы будете относительно моложе, чем тот человек, который там остался.
Пример
Когда британский астронавт Тим Пик ( Tim Peake) отправился на Международную космическую станцию(МКС), на которой находился в течение 6 месяцев, то он испытал замедление времени следующими способами:
При суммировании, замедление времени из-за скорости движения по орбите орбиты немного перевесило ускорение времени из-за изменения силы тяжести и поэтому он вернулся относительно моложе людей, оставшихся на Земле.
Какое это имеет отношение к нашему повседневному опыту времени?
Ну, это явление замедления времени похоже на то, как мы переживаем время в повседневной жизни.
Когда мы движемся быстро (с работой или с идеями) или когда мы подвержены притяжению кого-то или чего-то, привлекательного для нас, мы испытываем время относительно медленнее, чем те, кто ничего не делает на Земле.
Неужели?
Чтобы объяснить, что имеется в виду, мы должны выделить конкретные часы, с помощью которых мы измеряем время.
Во-первых, есть часы Земли. Это любые часы на поверхности планеты Земля. Например, часы Биг Бена в Лондоне.
В приведенном выше примере с Тимом Пиком мы сравнивали время на земных часах с временем, измеренным часами на Международной космической станции.
Но теперь предположим, что в голове каждого человека есть воображаемые «головные часы».
Когда вы чувствуете, что время пролетает или медленно тянется, то вы испытываете несоответствие между головными часами и часами Земли.
Пример
Предположим, вы проводите несколько часов, разговаривая с кем-то привлекательным для вас. По мере того, как часы Биг-Бена тикают, ваши головные часы идут сравнительно медленнее, точно так же, как часы возле черной дыры (где большая гравитация) будут идти относительно медленнее, чем Биг-Бен.
Но в вашей собственной голове вы испытываете время, как обычно во время вашего всепоглощающего разговора. Не похоже, что время замедлилось для вас в данный момент.
Но когда вы смотрите вверх на часы Биг Бена, и ваши головные часы чувствуют, что, скажем, прошло 30 минут, то вы вдруг замечаете, что по земному времени прошло, скажем, 2 часа. Время Земли пролетело, пока вы разговаривали с приятным для вас человеком.
И то же самое верно, когда вы полностью поглощены работой или поддались «гравитационному» притяжению сна. Время Земли, кажется, проходит относительно быстро.
Ну и что?
Ну, с одной стороны, можно утверждать, что, делая вещи, которые привлекают нас, и двигаясь быстрее, жизнь пролетит мимо.
И, в долгосрочной перспективе, это может означать, что мы достигнем своего конца, казалось бы, быстрее, потому что мы живем только в течение определенного количества «земных часов».
Но что, если люди на самом деле должны жить в течение определенного количества «головных часов», а не земных часов?
Предположим, вы собираетесь жить в течение 100 лет по вашим «головным часам». Проводя время вместе с привлекательными (притягательными) людьми, двигаясь быстрее, отдыхая во сне и поглощая себя работой, которая вас интересует, вы будете жить относительно больше лет, измеряемых часами Земли, может быть, 150 лет или около того!
Возможно, Тим Пик вернулся с Международной космической станции даже моложе, чем мы думаем, потому что он, вероятно, отлично провел там время.
В заключение
Если вы делаете следующие вещи…
…тогда вы будете жить дольше, когда вы измерите длину своей жизни по часам Земли (что мы все и делаем).
Наконец, цитата из самого Эйнштейна на эту тему:
«Положите руку на горячую печь на минуту, и вам покажется, что прошел час. Посидите с красивой девушкой один час, и вам покажется, что прошла всего лишь минута. Это относительность»
…и эпизод из фильма «Глубокое синее море» ( Deep Blue Sea):
Разумеется, это всего лишь забавная «теория», которая на самом деле не имеет прямого отношения с Специальной теории относительности. Но, подкупает своей аналогией и жизненностью. Что-то в этом есть! Не так ли?
Работа мозга: замедление времени
Даже если вы не смотрели фильм «Матрица», наверняка вы видели популярную сцену из этого фильма, где один из врагов пытается пристрелить главного персонажа Нео, но в этот момент он осознаёт, что способен замедлять время. Благодаря этому Нео начинает уворачиваться от пуль, что позволяет ему избежать смерти.
Что же на самом деле происходит с нашим мозгом?
На данный момент исследователи не могут дать однозначного ответа, но есть несколько различных мнений. Одно из них говорит о том, что причиной временному расширению является попытка мозга усвоить как можно больше информации, насколько это вообще возможно за столь короткий отрезок времени.
По результатам нескольких исследований, наш мозг пытается собрать воедино частички информации от наших органов чувств, используя их для подзаводки «вечных часов». Чем больше информации в обработке, тем медленнее работают эти часы. К примеру, профессиональные бейсболисты, которые, готовясь к удару битой по мячу, сверх-сфокусированы на самых мельчайших деталях, часто отмечают, что мяч в полёте замедляется перед самым ударом битой по нему.
Это было задокументировано и в лабораторных условиях. 11 участников исследования 2012 года, готовясь к определённому действию, показали существенное улучшение способностей замечать экстремально быстрые сигналы. И это вполне может объяснять ощущение замедления времени во время ситуаций, угрожающих жизни человека, например, в тех же автомобильных авариях. На эту тему тоже есть исследование.
Как объяснить этот эффект?
Конечно, в лабораторных условиях подобное не воссоздать, т.к. это совершенно не этично проводить эксперименты, которые могут привести к гибели людей. Но существуют доказательства этого феномена, полученные во время различных симуляций. Тем не менее, далеко не все исследования согласны с этой точкой зрения.
Например, в одной из публикаций 2007 года в научном журнале PLOS One утверждается, что не происходит никакого увеличения работы мозга, а всё это всего лишь обманчивая иллюзия памяти. В этом эксперименте исследователи использовали перцептивные хронометры на 20 волонтёрах.
Эти устройства запрограммированы высвечивать изображение и его негатив настолько быстро, что оно просто становиться нечитаемым. Нечитаемым до тех пор, пока ваши способности визуальной обработки не стала существенно лучше. После этого исследователи сбрасывали волонтёров в спасательную сеть с высоты 30 метров.
Испытуемые были в полной безопасности, но столь большая высота падения в любом случае запускала ощущение замедления времени, что они сами и подтверждали при приземлении, называя время падения на 35 процентов больше, чем оно было на самом деле. Вроде как проблема решена, не так ли? Ну, не совсем. Несмотря на симуляцию угрозы для жизни, испытуемые так и не смогли успешно пройти тест на хронометрах.
Итоги
Из чего можно сделать вывод, что замедление времени никак не связано с увеличением скорости работы мозга. Дело в чём-то другом. Учёные предположили, что возможно наш мозг растягивает время после самого факта произошедшего.
Другими словами, ощущение замедления происходит только в процессе запоминания. Споры о причинах ощущения замедления времени продолжаются до сих пор. Радует тот факт, что проводится всё больше исследований в поисках специфических нейромедиаторов и неврологических причин, стоящих за изучаемым феноменом.
Замедление времени. Странная физика Вселенной
Некоторые энтузиасты считают, что Эйнштейн был абсолютно неправ. И что предсказанные им разнообразные экзотические эффекты, в том числе замедление времени, наглая ложь. И их абсолютно не смущает, что эти эффекты на самом деле влияют на нашу жизнь.
Ну неужели Вам никогда в разгар веселой вечеринки не казалось, что предыдущие 4 часа пролетели как один миг?😀 Или наоборот — что впереди стоящая машина после включения разрешающего движение сигнала светофора не реагирует целую вечность?😄
Замедление времени и космические аппараты
Однако шутки шутками, но замедление времени действительно имеет место быть. Например — оно влияет на работу космических аппаратов. Оно возникает как из-за их высоких скоростей, с которыми они перемещаются, так и из-за все время изменяющейся конфигурации гравитационного поля Земли, на них влияющего.
В 2020 году группа студентов из Лестерского университета, Великобритания, вычислила замедление времени, которые случились с зондом НАСА «Вояджер-1». Который к моменту работы провел в космосе уже 43 года. Специальная теория относительности предсказала, что «Вояджер» стал на 2,2 секунды моложе чем был бы, если бы остался на Земле. Однако общая теория относительности частично уравновешивает этот эффект. Все, что находится на Земле, подвергается более сильному влиянию гравитация, чем космический аппарат. Поэтому зонд постарел примерно на 1 секунду больше, чем мы. Если скомбинировать два этих эффекта, окажется что Вояджер все равно является моложе, чем все, кто остались на Земле. Примерно на 1,2 секунды.
Подобные расчеты могут показаться несерьезными. И ничего не доказывающими. Ну где там ваш «Вояджер»? Давайте догоним его и спросим — сильно ли он помолодел?😁
Ладно, давайте перейдем к действительно реальному примеру, когда точное время имеет решающее значение. А именно — работу навигационных спутников, используемых для обеспечения местоположения. Расхождение синхронизации бортовых шкал времени с эталонными стандартами частоты всего в несколько наносекунд (миллиардные доли секунды!) могут привести к ошибке позиционирования в сотни метров! Что явно неприемлемо, если Вы пытаетесь точно определить свое местонахождение. Для достижения желаемой точности система спутниковой навигации должна обязательно учитывать замедление времени. Которое может составлять 38 микросекунд (миллионных долей секунды!) в сутки. Именно поэтому навигационные спутники периодически синхронизируют свои бортовые часы с наземными.
Иначе спутниковая навигация станет абсолютно бесполезной технологией.
Парадокс близнецов
Одной из самых невероятных ситуаций, которую вызывает замедление времени, является так называемый парадокс близнецов. В этом мысленном эксперименте один близнец живет на Земле. В то время как другой совершает путешествие к далекой звезде. И делает это со скоростью, почти равной скорости света. И когда разлученные братья (или сестры) снова встречаются, оказывается, что странствующий близнец (благодаря релятивистскому замедлению времени!) постарел намного меньше, чем тот, который остался на Земле. Очевидный «парадокс» возникает из-за ошибочного убеждения, что ситуация симметрична. То есть Вы можете смело сказать, что путешествующий близнец неподвижен относительно связанного с Землей близнеца. А это означает, что оставшийся на Земле должен оказаться младше, чем путешествующий по звездам близнец…
Но это не так. Потому что на самом деле ситуация несимметрична. Когда в специальной теории относительности говорится об относительном движении, имеется в виду движение с постоянной скоростью по прямой. Однако в данном случае дело обстоит по другому. Поскольку близнецы находятся вместе в начале и в конце путешествия, путешествующий должен разогнаться с места до максимальной скорости, а затем в какой-то момент развернуться и отправиться обратно в противоположном направлении, прежде чем в конечном итоге снова замедлится до остановки. Именно эти фазы ускорения и замедления имеют значение в соответствии с постулатами общей теории относительности. Потому что они имеют похожие эффекты с воздействием гравитационного поля.
Когда математические расчеты описывают это ускорение, выясняется, что космический близнец действительно будет стареть медленнее, чем оставшийся на Земле.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Замедление времени
Содержание
История [ править ]
Связь со скоростью [ править ]
Теоретически замедление времени позволило бы пассажирам быстро движущегося транспортного средства продвинуться дальше в будущее за короткий промежуток времени. При достаточно высоких скоростях эффект драматический. Например, один год путешествия может соответствовать десяти годам на Земле. Действительно, постоянное ускорение в 1 g позволило бы людям путешествовать по всей известной Вселенной за одну человеческую жизнь. [9]
Однако при нынешних технологиях, серьезно ограничивающих скорость космических путешествий, различия, испытываемые на практике, незначительны: через 6 месяцев на Международной космической станции (МКС), вращающейся вокруг Земли со скоростью около 7700 м / с, астронавт постарел бы. примерно на 0,005 секунды меньше, чем на Земле. [10] Космонавты Сергей Крикалев и Сергей Авдеев испытали замедление времени примерно на 20 миллисекунд по сравнению со временем, которое прошло на Земле. [11] [12]
Простой вывод [ править ]
Это постоянство скорости света означает, что вопреки интуиции скорости материальных объектов и света не складываются. Невозможно добиться большей скорости света, двигаясь к источнику света или от него.
В кадре, в котором часы находятся в состоянии покоя (диаграмма слева), световой импульс отслеживает путь длиной 2 L, а период часов равен 2 L, деленному на скорость света:
В системе отсчета движущегося наблюдателя, движущегося со скоростью v по отношению к системе покоя часов (диаграмма справа), световой импульс рассматривается как отслеживающий более длинный, наклонный путь. Сохранение постоянной скорости света для всех инерциальных наблюдателей требует увеличения периода этих часов с точки зрения движущегося наблюдателя. Иными словами, в кадре, движущемся относительно местных часов, эти часы будут работать медленнее. Непосредственное применение теоремы Пифагора приводит к хорошо известному предсказанию специальной теории относительности:
Общее время, за которое световой импульс проследит свой путь, определяется как:
Длину половинного пути можно рассчитать как функцию известных величин:
Исключение переменных D и L из этих трех уравнений приводит к:
Взаимность [ править ]
При определенной системе отсчета и описанном ранее «неподвижном» наблюдателе, если бы второй наблюдатель сопровождал «движущиеся» часы, каждый из наблюдателей воспринимал бы часы другого как тикающие медленнее, чем их собственные местные часы, из-за они оба воспринимают другого как того, что движется относительно их собственной стационарной системы отсчета.
Здравый смысл подсказывает, что, если течение времени для движущегося объекта замедлилось, указанный объект наблюдал бы, что время внешнего мира соответственно ускоряется. Как ни странно, специальная теория относительности предсказывает обратное. Когда два наблюдателя находятся в движении относительно друг друга, каждый будет измерять замедление часов другого в соответствии с их движением относительно системы отсчета наблюдателя.
Взаимодействие этого явления также приводит к так называемому парадоксу близнецов, когда сравнивается старение близнецов, один из которых остается на Земле, а другой отправляется в космическое путешествие, и где взаимность предполагает, что оба человека должны быть одного возраста, когда они воссоединяются. Напротив, в конце путешествия туда и обратно странствующий близнец будет моложе своего брата или сестры на Земле. Дилемма, порождаемая парадоксом, однако, может быть объяснена тем фактом, что путешествующий близнец должен заметно ускоряться, по крайней мере, на трех этапах поездки (начало, изменение направления и конец), в то время как другой будет испытывать лишь незначительное ускорение из-за вращению и обращению Земли. Во время фаз ускорения космического путешествия замедление времени не является симметричным.
Экспериментальное тестирование [ править ]
Эффект Доплера [ править ]
Движущиеся частицы [ править ]
Правильное время и диаграмма Минковского [ править ]
Вывод и формулировка [ править ]
Δ t ′ = γ Δ t = Δ t 1 − v 2 c 2 <\displaystyle \Delta t'=\gamma \,\Delta t=<\frac <\Delta t><\sqrt <1-<\frac 
Гиперболическое движение [ править ]
В специальной теории относительности замедление времени проще всего описать в обстоятельствах, когда относительная скорость неизменна. Тем не менее, уравнения Лоренца позволяют вычислить собственное время и движение в пространстве для простого случая, когда космический корабль действует с силой на единицу массы относительно некоторого эталонного объекта в равномерном (то есть с постоянной скоростью) движении, равном g на всем протяжении период измерения.
γ 0 = 1 1 − v 0 2 / c 2 <\displaystyle \gamma _<0>=<\frac <1><\sqrt <1-v_<0>^<2>/c^<2>>>>>
справедливы следующие формулы: [28]
x ( t ) = c 2 g ( 1 + ( g t + v 0 γ 0 ) 2 c 2 − γ 0 ) <\displaystyle x(t)=<\frac
v ( t ) = g t + v 0 γ 0 1 + ( g t + v 0 γ 0 ) 2 c 2 <\displaystyle v(t)=<\frac
Собственное время как функция координатного времени:
τ ( t ) = τ 0 + ∫ 0 t 1 − ( v ( t ′ ) c ) 2 d t ′ <\displaystyle \tau (t)=\tau _<0>+\int _<0>^
В случае, когда v (0) = v 0 = 0 и τ (0) = τ 0 = 0, интеграл может быть выражен как логарифмическая функция или, что то же самое, как обратная гиперболическая функция :
τ ( t ) = c g ln ( g t c + 1 + ( g t c ) 2 ) = c g arsinh ( g t c ) <\displaystyle \tau (t)=<\frac
x ( τ ) = c 2 g ( cosh g τ c − 1 ) <\displaystyle x(\tau )=<\frac
v ( τ ) = c tanh g τ c <\displaystyle v(\tau )=c\tanh <\frac
Координатное время как функция от собственного времени:
t ( τ ) = c g sinh g τ c <\displaystyle t(\tau )=<\frac
Гипотеза часов [ править ]
d τ = ∫ P d t 2 − d x 2 / c 2 − d y 2 / c 2 − d z 2 / c 2 <\displaystyle d\tau =\int _
<\sqrt
Отношение к гравитации [ править ]
Гравитационное замедление времени испытывает наблюдатель, который на определенной высоте в пределах гравитационной потенциальной ямы обнаруживает, что их локальные часы измеряют меньше прошедшего времени, чем идентичные часы, расположенные на большей высоте (и, следовательно, имеющие более высокий гравитационный потенциал).
В отличие от замедления времени скорости, при котором оба наблюдателя измеряют друг друга как более медленное старение (обратный эффект), гравитационное замедление времени не является взаимным. Это означает, что с гравитационным замедлением времени оба наблюдателя согласны с тем, что часы ближе к центру гравитационного поля работают медленнее, и они согласны относительно отношения разницы.
Экспериментальное тестирование [ править ]
Комбинированный эффект замедления скорости и гравитационного времени [ править ]
Эффекты релятивистского замедления времени для Солнечной системы и Земли можно очень точно смоделировать с помощью решения Шварцшильда уравнений поля Эйнштейна. В метрике Шварцшильда интервал определяется выражением: [36] [37] d t E <\displaystyle dt_<\text
d t E 2 = ( 1 − 2 G M i r i c 2 ) d t c 2 − ( 1 − 2 G M i r i c 2 ) − 1 d x 2 + d y 2 + d z 2 c 2 <\displaystyle dt_<\text
Координатная скорость часов определяется как:
v 2 = d x 2 + d y 2 + d z 2 d t c 2 <\displaystyle v^<2>=<\frac
d t E d t c = 1 + 2 U c 2 − v 2 c 2 + ( c 2 2 U + 1 ) − 1 v ∥ 2 c 2 = 1 − ( β 2 + β e 2 + β ∥ 2 β e 2 1 − β e 2 ) <\displaystyle <\frac
