Релятивистское и гравитационное замедление времени

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Иркутский государственный университет»

Институт социальных наук

РЕФЕРАТ

по теме:

«Релятивистское и гравитационное замедление времени»

Работу выполнил

студент 1 курса

заочного отделения ГМУ

Табачников Илья Геннадьевич

Проверил

профессор Бранденбург В.Я.

Иркутск - 2017

Содержание

Введение

1. Гравитационное замедление времени (ГЗВ)

2. Релятивистские эффекты. Замедление Времени (РЗВ)

Заключение

Список использованных источников

Введение

"Если вы верите в теорию относительности, значит вы ее плохо понимаете" (С)

Одним из поистине магических явлений, возможность существования которых описывает теория относительности, является замедление времени. На первый взгляд абсолютно невозможное явление, так как нам кажется что время течет исключительно одинаково во всех уголках нашего мира. Существуют два вида подобных замедлений: 1) релятивистское; 2) гравитационное;

И если, гравитационное замедление времени (ГЗВ) реально, подтверждается опытным путем и было предсказано еще за 100 лет до появление Эйнштейна с его релятивистским замедлением времени (РЗВ), то РЗВ не подтверждено экспериментально и является исключительно плодом воображения релятивистов не имеющего ничего общего с реальностью и базирующаяся исключительно на представлении последних, что свет всегда, относительно движущегося с любой скоростью наблюдателя, будет двигаться одинаково со скоростью 300 000 км/сек. (об этом подробнее далее)

А в 1911 году уже и сам Альберт Эйнштейн заговорил о ГЗВ описав его согласно своих представление которые опять были позаимствованы у Иоганна Фон Зольднера, за что первый был обвинен в плагиате, но сегодня об этом предпочитают не говорить.

1. Гравитационное замедление времени (ГЗВ)

Время действительно замедляет свой ход при попадании в поле гравитации. И чем сильнее поле гравитации тем сильнее эффект замедления времени. Впервые предсказано в рамках гравитационного красного смещения, Джоном Митчелом в 1783 году. Подтверждено экспериментально в 1960 на основе эффекта-Мессбауэра.

Предсказано и установлено что атомы вещества пульсируют медленнее при размещения ближе к центру массивных объектов чем в дали от них. Для того что бы понять что общего между пульсацией атомов и временем следует знать что такое к примеру 1 секунда (единица измерения времени) как и впрочем 1 метр (единица измерения длинны):

1 секунда = 9192631770 колебаний (квантовых переходов) атома 133Cs (изотоп Цезия)

1 метр = 1650767.73 длин волн (колебаний) электромагнитного излучения от 86Kr (изотоп Криптона) (Эти данные являются эталонными, то есть принятыми как стандарт или основа)

То есть если 1 секунда это n-ное количество колебаний определенного атома, то в зависимости от размещения этого атома вблизи поверхности земли или в космосе 1 секунда уже будет иметь разные значения - это и есть гравитационное замедление времени, которое кстати учитывается при работе спутников GPS, которое кстати было открыто (как говорилось выше) задолго до теории относительности. То же самое касается и единицы измерение меры длинны.

Откуда же появилось релятивистское замедление времени (РЗВ)?

Для того что бы начать говорить о РЗВ, необходимо для начала рассказать, о том как получилось, что скорость света вдруг стала предельной константой.

Следует сразу отметить, что опытов подтверждающих, что скорость света действительно является предельной, на любых дистанциях и в любых направлениях постоянной, в науке нет. И данные доводы являются исключительно доводами или постулатами которые не имеют реального подтверждения, так как скорость света еще не была измерена: в космосе на большом расстоянии, в одном направлении с двумя синхронными часами. Все что у нас имеется так это измерения с одними часами с помощью зеркал где свет проходит в одном направлении, а после отражается в другом направлении на сравнительно коротком расстоянии.

Ну как так? - скажите вы - Ведь ЭМ сигнал приходит из космоса, а зная расстояние до источника и время на его преодоление мы можем судить о скорости света!

Совершенно верно! Вот только эти данные как раз таки говорят что не все бьется с представлениями, что скорость света однозначна, постоянна и неизменна. Но вот только явления используются в не в пользу альтернативных теорий к ОТО, а скорее в ее защиту. И вот каким образом это делается..

К примеру, так называемая "аномалия пионеров" где сигнал от космических станций "пионер" пришел значительно раньше чем это следовало из постоянной скорости света и дистанции удаления до объекта - стало причиной...... Нет, не пересмотра скорости света, а стало причиной придумать так называемую черную материю которая якобы замедляла скорость распространения аппарата, чем можно было объяснить его аномальное сравнительно малое удаление от Земли, с учетом опять же, постоянной скорости света. За это даже Нобелевскую премию дали. Сегодня ее все чаще дают именно тем, кто спасает ОТО, а не наоборот. Смог впихнуть очередное невпихуемое в ОТО?! - лови Нобелевку!

Ну и возвращаемся к теме о РЗВ, так как мы слегка отдалились от нее, говоря о скорости света, хотя это было вынужденно и необходимо.

Если верить теории относительности то релятивистское замедление времени происходит в следствии движения. Предложенная концепция Альбертом Эйнштейном основывалась на его давнем вопросе -

Что будет если я буду лететь со скоростью света, рядом с лучом света, параллельно в том же направлении.

Для того что бы понять каким образом скорость может являться понятием относительным следует перейти к экспериментам.

И так у нас есть наблюдатель и автомобиль, которые имеют разные скорости. Наблюдатель в данном случае неподвижен и его скорость равна Vo = 0 км/час. Мимо него проезжает автомобиль, скорость которого Va= 100 км/час. В данном случае скорость автомобиля равна 100 км/час относительно поверхности земли и размещенного на ней неподвижно стороннего наблюдателя скорость которого тоже равна 0. Вполне справедливое заключение, но идем далее.

Теперь скорость автомобиля Va = 100 км/час остается такой же относительно неподвижной поверхности земли, но относительно наблюдателя который сел в автомобиль и начал движение со скоростью 50 км/час относительно поверхности земли параллельно в том же направлении уже не будет 100 км/час: V = Va 100 км/час - V n 50 км/час = 50 км/час. То есть скорость автомобиля для наблюдателя будет уже не 100 а 50 км/час. А если его скорость станет 100 км/час то автомобиль для него будет стоять неподвижно (Va=0).

В случае если автомобиль (100 км/час) и наблюдатель (50 км/час) будут ехать в разных направлениях по отношению друг другу, навстречу, то их скорость относительно каждого отдельного уже будет одинаковой. К примеру для автомобиля V = Va + Vn = 100 км/час + 50 км/час = 150 км/час и тоже самое будет и для наблюдателя, относительно которого автомобиль будет ехать с скоростью 150 км/час. В то время когда их скорости относительно неподвижного наблюдателя будут иметь разные значения.

Рассуждая в подобном направлении о скорости света, Альберт Эйнштейн, непонятно по каким причинам, решил - а почему бы не принять, что скорость автомобиля относительно подвижного или неподвижного наблюдателя всегда будет одинаковой!

Что на самом деле не совсем понятно - с чего это вдруг? Да просто так ему захотелось.

В итоге получилось, что если луч света скорость которого 300 000 км/сек, будет двигаться параллельно наблюдателю, скорость которого, к примеру 200 000 км/сек, то по отношению к наблюдателю, который летит в след за лучом, в том же направлении, скорость луча будет все равно 300 000 км/сек. Тоже самое справедливо и для встречного движения. Как вы видите все это является вполне алогичным представлением не имеющим никакой причины для существования как и нет подтверждения последнего.

Абсурдным кажется и следующее заключение теории относительности, что два встречных луча света, летящие со скоростью 300 000 км/сек, навстречу друг другу, будут иметь относительно друг друга все равно одинаковую предельную скорость в 300 000 км/сек, А не 600 000 км/сек. И это всего лишь часть абсурда который кстати был назван величайшей теорией всего (!!!!)

Ну а где же тут замедление времени?! - справедливо спросите вы. А замедление времени было придумано специально для того что бы данная нелепица с фиксированной скоростью света 300 000 км/сек стала вполне нормальной. Каким образом? Давайте рассмотрим это на следующем мысленном опыте:

(Слева на рисунке неподвижная система относительно вас как стороннего наблюдателя, справа подвижная имеющая скорость Vn)

Неподвижная система состоящая их двух аппаратов А и В которые размещены друг от друга на дистанции А-В равной 150 000 км. На аппарате А установлен лазер который выпускает луч света в направлении аппарата В, на котором размещено зеркало. Луч света отразившись от зеркала В полетит обратно и попадет на аппарат А пройдя дистанцию L = AB*2 (туда и обратно). Если система неподвижна, то согласно формулы время-скорость-дистанция, мы можем узнать, сколько времени свет потратил на преодоления этого расстояния: t = L/v = AB *2 или 150 000 км*2 / 300 000 км/сек = 1 секунда.

Подвижная система А-В, на рисунке указана в пространственных позициях согласно его движению, где аппарат А (А1) со временем перемещается в позицию А2 и далее по мере движения в позицию А3 (тоже справедливо и для аппарата В)

Система движется со скоростью Vn в указанном направлении. Луч света выпущенный из А1, в позицию где будет в ближайшее время B1, то есть B2, достигая которой отражается и двигается в позицию аппарата А, А3. Таким образом преодолевая расстояние А1-В2-А3. Так как система движется, то дистанция А1-В2-А3 будет на определенную величину больше чем дистанция А-В-А в неподвижном аппарате. АВ*2 < А1-В2-А3. А следовательно луч прошедший ее с одинаковой скоростью, затратит больше времени чем в неподвижной системе.

Тогда если записать дистанцию А1-В2-А3 в качестве суммы всех дистанции и обозначить L то тогда луч света имея скорость 300 000 км/сек пройдет эту дистанцию за большее количество времени (больше чем 1 сек). Что разумеется справедливое утверждение согласно формулы t=L/v.

Но, согласно теории относительности, свет, все равно будет проходит эту дистанцию за тоже самое время. То есть, что бы лучу света совершить ту же операцию что и в неподвижной системе аппаратов, с неизменной скоростью (опять же установленной этой теорией относительности) ему необходимо что бы понятие времени в системе замедлилось - Вот примерно таким образом и родилось понятие релятивистского замедления времени.

Если вы осилили данное описание и детально разобрали что было написано, то вы конечно же, теперь, понимаете что предложенное теорией относительности релятивистское замедление времени не имеет ничего общего с реальностью.

2. Релятивистские эффекты. Замедление Времени (РЗВ)

Под релятивистскими эффектами в теории относительности понимают изменения пространственно-временных характеристик тел при скоростях, соизмеримых со скоростью света.

В качестве примера обычно рассматривается космический корабль типа фотонной ракеты, который летит в космосе со скоростью, соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:

1.Увеличение массы по сравнению с массой покоя. С ростом скорости растет и масса. Если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Эйнштейн доказал, что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии (E= mc2). Сообщить телу бесконечную энергию невозможно.

2.Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем больше будет скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, и чем ближе она будет к скорости света, тем меньше будут размеры этого корабля для неподвижного наблюдателя. При достижении кораблем скорости света его наблюдаемая длина будет равна нулю, чего быть не может. На самом же корабле космонавты этих изменений не будут наблюдать.

3. Замедление времени. В космическом корабле, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, время течет медленнее, чем у неподвижного наблюдателя.

Эффект замедления времени сказался бы не только на часах внутри корабля, но и на всех процессах, протекающих на нем, а также на биологических ритмах космонавтов. Однако фотонную ракету нельзя рассматривать как инерциальную систему, ибо она во время разгона и торможения движется с ускорением (а не равномерно и прямолинейно).

Так же, как и в случае квантовой механики, многие предсказания теории относительности противоречат интуиции, кажутся невероятными и невозможными. Это, однако, не означает, что теория относительности неверна. В действительности то, как мы видим (либо хотим видеть) окружающий нас мир и то, каким он является на самом деле, может сильно различаться. Уже больше века учёные всего мира пробуют опровергнуть СТО. Ни одна из этих попыток не смогла найти ни малейшего изъяна в теории. О том, что теория верна математически, свидетельствует строгая математическая форма и чёткость всех формулировок.

О том, что СТО действительно описывает наш мир, свидетельствует огромный экспериментальный опыт. Многие следствия этой теории используются на практике. Очевидно, что все попытки «опровергнуть СТО» обречены на провал потому, что сама теория опирается на три постулата Галилея (которые несколько расширены), на основе которых построена ньютонова механика, а также на дополнительные постулаты.

Результаты СТО не вызывают какого-либо сомнения в пределах максимальной точности современных измерений. Более того, точность их проверки является настолько высокой, что постоянство скорости света положено в основание определения метра -- единицы длины, в результате чего скорость света становится константой автоматически, если измерения вести в соответствии с метрологическими требованиями.

В 1971г. в США был поставлен эксперимент по определению замедления времени. Изготовили двое совершенно одинаковых точных часов. Одни часы оставались на земле, а другие помещались в самолет, который летал вокруг Земли. Самолет, летящий по круговой траектории вокруг Земли, движется с некоторых ускорением, и значит, часы на борту самолета находятся в другой ситуации по сравнению с часами, покоящимися на земле. В соответствии с законами теории относительности часы-путешественники должны были отстать от покоящихся на 184 нс, а на самом деле отставание составило 203 нс. Были и другие эксперименты, в которых проверялся эффект замедления времени, и все они подтвердили факт замедления. Таким образом, разное течение времени в системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, является непреложным экспериментально установленным фактом.

Общая теория относительности

В 1915 году Эйнштейн завершил создание новой теории, объединяющей теории относительности и тяготения. Он назвал ее общей теорией относительности (ОТО). После этого ту теорию, которую Эйнштейн создал в 1905 году и которая не рассматривала тяготение, стали называть специальной теорией относительности.

В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей.

Общая теория относительности основывается на двух постулатах специальной теории относительности и формулирует третий постулат - принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Важнейшим выводом ОТО является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных характеристик в гравитационных полях (а не только при движении с большими скоростями). Этот вывод связывает ОТО с геометрией, то есть в ОТО наблюдается геометризация тяготения. Классическая геометрия Евклида для этого не годилась. Новая геометрия появилась еще в XIXв. В трудах русского математика Н. И. Лобачевского, немецкого - Б. Римана, венгерского - Я. Больяйя.

Геометрия нашего пространства оказалась неевклидовой.

ОТО - физическая теория, в основе которой лежит ряд экспериментальных фактов. Рассмотрим некоторые из них. Гравитационное поле влияет на движение не только массивных тел, но и света. Луч света отклоняется в поле Солнца. Измерения, проведенные в 1922г. английским астрономом А. Эддингтоном во время солнечного затмения, подтвердили это предсказание Эйнштейна.

В ОТО орбиты планет незамкнуты. Небольшой эффект такого рода можно описывать как вращение перигелия эллиптической орбиты. Перигелий - это ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, которое движется вокруг Солнца по эллипсу, параболе или гиперболе. Астрономам известно, что перигелий орбиты Меркурия поворачивается за столетие примерно на 6000". Это объясняется гравитационными возмущениями со стороны других планет. При этом оставался неустранимый остаток около 40" за столетие. В 1915г. Эйнштейн объяснил это расхождение в рамках ОТО.

Существуют объекты, в которых эффекты ОТО играют определяющую роль. К ним относятся «черные дыры». «Черная дыра» возникает тогда, когда звезда сжимается настолько сильно, что существующее гравитационное поле не выпускает во внешнее пространство даже свет. Поэтому из такой звезды не исходит никакой информации. Многочисленные астрономические наблюдения указывают на реальное существование таких объектов. ОТО дает четкое объяснение этому факту.

Оптическое искажение аккреционного диска вокруг чёрной дыры

В 1918г. Эйнштейн предсказал на основе ОТО существование гравитационных волн: массивные тела, двигаясь с ускорением, излучают гравитационные волны. Гравитационные волны должны распространяться с той же скоростью, что электромагнитные, то есть со скоростью света. По аналогии с квантами электромагнитного поля принято говорить о гравитонах как о квантах гравитационного поля. В настоящее время формируется новая область науки - гравитационно-волновая астрономия. Есть надежда, что гравитационные эксперименты дадут новые результаты.

Свойства пространства-времени в ОТО зависят от распределения тяготеющих масс, и движение тел определяется кривизной пространства-времени.

Но влияние масс сказывается только на метрических свойствах часов, так как меняется лишь частота при переходе между точками с разными гравитационными потенциалами. Иллюстрацией относительного хода времени, по мнению Эйнштейна, могло бы стать обнаружение процессов вблизи предсказанных им черных дыр.

На основании уравнений теории относительности отечественный математик-физик А. Фридман в 1922г. нашел новое космологическое решение уравнений ОТО. Это решение указывает на то, что наша Вселенная не стационарна, она непрерывно расширяется. Фридман нашел два варианта решения уравнений Эйнштейна, то есть два варианта возможного развития Вселенной. В зависимости от плотности материи Вселенная или будет и далее расширяться, или через какое-то время начнет сжиматься.

В 1929г. американский астроном Э. Хаббл экспериментально установил закон, который определяет скорость разлета галактик в зависимости от расстояния до нашей галактики. Чем дальше разбегающаяся галактика, тем больше скорость ее разбегания. Хаббл использовал эффект Доплера, в соответствии с которым у источника света, удаляющегося от наблюдателя, длина волны увеличивается, то есть смещается к красному концу спектра (краснеет).

ОТО в настоящее время -- самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. По ОТО, перигелии орбит при каждом обороте планеты вокруг Солнца должны перемещаться на долю оборота, равную 3 (v/c)2. Для перигелия Меркурия получается 43", угол поворота перигелия за сто лет составляет 42,91". Эта величина соответствует обработке наблюдений за Меркурием с 1765 по 1937 г. Так была объяснена прецессия перигелия орбиты Меркурия.

Экспериментальные подтверждения теории относительности, приведшие к изменению свойств времени и пространства:

а - схема установки для доказательства задержки времени у движущихся мезонов, предсказанная СТО, в гравитационном поле Земли; б - искривление линии распространения света вблизи Солнца, предсказанные ОТО и подтверждённые наблюдениями; в - схема прецессии орбиты Меркурия, объясняемая ОТО (иначе орбита представляла бы собой неподвижный эллипс)

Затем, в 1919, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности -- существования чёрных дыр.

Существует ряд других эффектов, поддающихся экспериментальной проверке. Среди них можно упомянуть отклонение и запаздывание (эффект Шапиро) электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера, эффект Лензе-Тирринга (прецессия гироскопа вблизи вращающегося тела), астрофизические доказательства существования чёрных дыр, доказательства излучения гравитационных волн тесными системами двойных звёзд и расширение Вселенной.

До сих пор надёжных экспериментальных свидетельств, опровергающих ОТО, не обнаружено. Отклонения измеренных величин эффектов от предсказываемых ОТО не превышают 0,1% (для указанных выше трёх классических явлений). Существуют однако явления, не объясняемые с помощью ОТО: эффект «Пионера»; flyby эффект; увеличение астрономической единицы; квадрупольно-октупольная аномалия фонового микроволнового излучения; тёмная энергия; тёмная материя.

В связи с этими и другими проблемами ОТО (отсутствие тензора энергии-импульса гравитационного поля, невозможность квантования ОТО) теоретиками было разработано не менее 30 альтернативных теорий гравитации, причём некоторые из них позволяют получить сколь угодно близкие к ОТО результаты при соответствующих значениях входящих в теорию параметров.

Таким образом, все известные научные факты подтверждают справедливость общей теории относительности, которая является современной теорией тяготения.

Заключение

Еще читая науч. поп. книгу Стивена Хокинга "Кратчайшая история времени". Он там упоминал, что путешествие в прошлое ведет к фундаментальным парадоксам, так о них можно не говорить, но в тоже время он предложил некий аналог машины времени, которая может перенести вас в будущее.

И да, теоретически это возможно, но на практике не много затруднительно.

Поговорим об этом более детально.

Современная физика описывает два случая замедления времени:

1) Релятивистское замедление времени (РЗВ)

2) Гравитационное замедление времени (ГЗВ)

И первое и второе по сути родились из теории относительности Эйнштейна. Если точнее, то РЗВ из СТО, а ГЗВ из ОТО.

Суть релятивистского замедления времени в том, что чем большую скорость имеет объект, тем медленней в нем протекают все процессы. Значительный эффект наблюдается на околосветовых скоростях.

Суть гравитационного замедления времени сводится к тому, что чем большей гравитацией обладает объект, тем медленнее вокруг него течет время.

К слову оба эти явления применяются для корректировки времени в спутниках, например в том же GPS.

Полагаю, что максимального эффекта можно достичь летая с околосветовой скоростью вокруг горизонта событий сверхмассивной черной дыры:)

релятивистский гравитационный замедление время

Список использованных источников

1. Воробьев, И.И. Теория относительности в задачах новации [Текст]: Учебное пособие для вузов / И.И. Воробьев. М.: Просвещение, 2014. - 224 с.

2. Гольденблат, И.И. Парадоксы времени в релятивистской механике [Текст]: Учебное пособие / И.И. Гольденблат. М.: Наука, 2015. - 200с.

3. Гинзбург, В.Л. О теории относительности [Текст]: Учебник / В.Л. Гинзбург. - М.: Наука, 2014. - 196с.

4. Горелов, А.В. Элементы теории относительности - элементарное изложение специальной теории относительности [Текст]: Учебник / А.В. Горелов. - СПб.: Питер, 2015. - 361с.

5. Дубровский, В.Н. Релятивистский мир [Текст]: Учебное пособие / В.Н. Дубровский. [и д. р.] - М.: Наука, 2014. - 215с.

6. Мицкевич, Н. В. Общая теория относительности [Текст]: Учебник / Н. В. Мицкевич. М.: Москва, 2013. - 215с.

7. Терлецкий, Я. П. Парадоксы теории относительности [Текст]: Учебник / Я. П. Терлецкий. М.: Москва, 2015. - 139с.

8. Тарасов, Л.В. Современная физика в средней школе [Текст]: Учебник / Л.В. Тарасов. М.: Просвещение, 2013. - 216с.

Размещено на Allbest.ru