Jaké je relativistické časové zpoždění? Co je čas ve fyzice

Zvláštní teorie relativity, publikovaná v roce 1905 Einsteinem a která se stala významnou generalizací řady dřívějších hypotéz, je jedním z nejvíce rezonujících a diskutovaných ve fyzice.

Opravdu je obtížné si představit, že když se objekt pohybuje rychlostí blízké světlu, fyzikální procesy začínají pro něj plynout naprosto neobvyklým způsobem: jeho délka se zkracuje, hmotnost se zvyšuje a čas se zpomaluje. Bezprostředně po zveřejnění začaly pokusy diskreditovat teorii, která dnes pokračuje, i když uplynulo více než sto let. To není překvapující, protože otázka, jaký je čas, se dlouho obávala lidstva a přitahovala všeobecnou pozornost.

Co je relativismus

Podstatou relativistické mechaniky (je to zvláštní teorie relativity dále - SRT) a její rozdíl od klasické je jasně vyjádřen přímým překladem jejího jména: latin relativus znamená "relativní". V rámci SRT je předpokládaná nevyhnutelnost časového zpoždění objektu při jeho pohybu vzhledem k pozorovateli.

Rozdíl mezi touto teorií, kterou navrhl Albert Einstein a Newtonovská mechanika, spočívá v tom, že všechny procesy, které proběhnou, mohou být zvažovány pouze vůči sobě navzájem nebo vůči nějakému vnějšímu pozorovateli. Před popisem toho, co je relativistické časové rozšíření, je třeba jít trochu hlouběji do otázky formování teorie a zjistit, proč je její formulace obecně možná a dokonce povinná.

Původy teorie relativity

Koncem devatenáctého století vědci dospěli k pochopení, že některé experimentální data nezapadají do světa světa, založeného na klasické mechaniky.

Základní kontradice skončily pokusy spojit Newtonovu mechaniku s Maxwellovými rovnicemi popisujícími pohyb elektromagnetických vln ve vakuu a kontinuálním médiu. Již bylo známo, že světlo je právě taková vlna a měla by být považována za součást elektrodynamiky, ale bylo velmi problematické diskutovat o vizuální a nejdůležitější časově prověřované mechanice.

Rozpor byl však zřejmý. Předpokládejme, že před pohyblivým vlakem je svítilna pevná, která svítí dopředu. Podle Newtonu by měla být přidána rychlost vlaku a světlo pocházející z lucerny. Maxwellovy rovnice v této hypotetické situaci se prostě "rozpadly". Bylo zapotřebí zcela nového přístupu.

Speciální teorie relativity

Zvažovat, že Einstein přišel s teorií relativity by byl nesprávný. Ve skutečnosti se obrátil na práce a hypotézy vědců, kteří před ním pracovali. Autor se však obrátil na otázku z druhé strany a místo mechaniků Newton rozpoznal "a priori správné" Maxwellovy rovnice.

Vedle slavného principu relativity (ve skutečnosti formulovaný Galileo, pravdivý, v rámci klasické mechaniky) tento přístup vedl Einsteina k nejzajímavějšímu tvrzení: rychlost světla je konstantní ve všech referenčních rámcích. A právě tento závěr nám dovoluje mluvit o možnosti změny časových standardů pohybu objektu.

Stálost rychlosti světla

Zdá se, že prohlášení "rychlost světla je konstantní" není překvapující. Ale pokuste se si představit, že stojíte nehybně a sledujte, jak se světlo od vás odklání pevnou rychlostí. Letíte po paprsku, ale nadále se od vás přesunuje přesně stejnou rychlostí. Kromě toho, otáčení a létání v opačném směru od paprsku, neměňte rychlost odebírání od sebe navzájem!

Jak je to možné? Začíná o tom rozhovor relativistický efekt zpomalení času. Zajímavé? Pak si přečtěte!

Relativistické časové rozšíření Einsteinem

Když se rychlost objektu přibližuje rychlosti světla, vnitřní čas objektu se podle výpočtů zpomaluje. Pokud se na druhé straně předpokládá, že se člověk pohybuje rovnoběžně se sluneční paprskem podobnou rychlostí, čas pro něj přestane vůbec jít. Existuje vzorec relativistické časové dilatace, odrážející jeho vztah k rychlosti objektu.

Při studiu tohoto problému je však třeba si uvědomit, že žádné tělo, které má hmotu, nemůže dokonce teoreticky dosáhnout rychlosti světla.

Paradoxy související s teorií

Zvláštní teorie relativity je vědecká práce a není snadno pochopitelná. Veřejný zájem o otázku, jaký je čas, však pravidelně vyvolává myšlenky na každodenní úrovni, které se zdají být neřešitelné paradoxy. Například následující příklad zaměňuje většinu lidí, kteří jsou seznámeni se SRT bez znalosti fyziky.

Existují dvě letadla, z nichž jedna letí přímo a druhá se vzlétne a popíše oblouk rychlostí blízkou rychlosti světla, zachycuje první. Je předvídatelné, že doba pro druhé zařízení (která letěla rychlostí blízké světlu) tekla pomaleji než u prvního. Nicméně v souladu s postulátem SRT jsou referenční rámce pro obě letadla stejné. To znamená, že čas může proudit pomaleji pro jedno a druhé zařízení. Zdá se, že je to konec. Ale ...

Rozlišení paradoxů

Ve skutečnosti je zdrojem tohoto paradoxu nedostatek pochopení mechanismu práce teorie. K vyřešení tohoto rozporu lze použít známý spekulativní experiment.

Máme stodolu se dvěma dveřmi tvořící průchozí průchod a tyč, která je o něco delší než délka kůlny. Pokud budeme táhnou tyč od dveří ke dveřím, nemohou zavřít ani prostě zlomit náš pól. V případě, že pole, které létají do stodoly bude mít rychlost blízkou rychlosti světla, jeho délka sníží (připomeňme: objekt, pohybující se rychlostí světla, délka bude nula) a v době svého pobytu ve stáji, budeme schopni zavřít a otevřít dveře, ne zlomí naše rekvizity.

Na druhou stranu, stejně jako v příkladu s letounem, je to kůl, který se musí snížit vzhledem k pólu. Paradox se opakuje a zřejmě neexistuje žádná cesta - oba objekty jsou synchronně zkráceny. Nezapomeňte však, že je vše relativní a vyřešíme problém tím, že změníme čas.

Relativnost souběžnosti

Když je přední okraj stožáru uvnitř, před předními dveřmi, můžeme jej zavřít a otevřít a v okamžiku, kdy tyč úplně vstoupí do stodoly, uděláme totéž se zadními dveřmi. Zdá se, že to neděláme současně a experiment se nezdařil, ale zde je hlavní věc jasná: v souladu se speciální teorií relativity jsou závěrečné momenty obou dveří umístěny v jednom bodě časové osy.

Je tomu tak proto, že události, které se vyskytují současně ve stejném referenčním rámci, nebudou současně v druhém. Relativistická dilatace času se projevuje ve vzájemném vztahu objektů a vracíme se k absolutní každodenní generalizaci Einsteinovy ​​teorie: všechno je relativní.

Existuje ještě jeden detail: rovnost referenčních systémů je relevantní v SRT, když se oba objekty pohybují rovnoměrně a přímočaře. Jakmile jedno z těles přechází na zrychlení nebo zpomalení, jeho referenční rámec se stává jediným možným.

Twin Paradox

Nejslavnější paradox vysvětlující relativistickou časovou dilatací "jednoduchým způsobem" je myšlenkový experiment se dvěma dvojčaty. Jeden z nich letí na kosmické lodi rychlostí blízkou světlu a druhý zůstane na zemi. Vrací se, bratr-astronaut zjistí, že sám zestárl 10 let a jeho bratr odešel doma - po dobu až 20 let.

Celkový obraz musí být jasné, pro čtenáře z předcházejících vysvětlení, neboť bratři na kosmické lodi zpomaluje čas, protože jeho rychlostí blízkou rychlosti světla, referenčního systému vzhledem k bratr-na-zemi, nemůžeme přijmout, protože by to bylo non-inertial (testy přetížení jediný bratr ).

Poznamenat, že by bylo žádoucí další: v jakémkoli rozsahu v diskusi protihráči dosáhne skutečnost, že čas v absolutní hodnotě zůstává konstantní. Bez ohledu na to, kolik let bratr nebo létání na kosmické lodi, stáří, bude pokračovat přesně rychlostí, při které dochází k času ve své vztažné soustavě, a druhý bratr bude stárnout přesně stejnou sazbu - rozdíl je k dispozici pouze na jejich setkání, a jakákoli jiná případě.

Gravitační časová dilatace

Závěrem je třeba poznamenat, že existuje druh druhého časového zpoždění, spojeného již s obecnou teorií relativity.

V 18. století Mitchell předpovídal existenci efektu rudého posunu, který spočívá v tom, že když se objekt pohybuje mezi regiony se silnou a slabou gravitací, změní se čas. Navzdory pokusům o studium problému Laplace a Soldner, pouze Einstein představil rozsáhlou práci na toto téma v roce 1911.

Tento efekt není nijak zajímavější než relativistická dilatace času, ale vyžaduje samostatnou studii. A to, jak se říká, je zcela jiný příběh.