Гравитационное замедление времени: удивительный феномен искривленного пространства-времени — Naked Science
13.12.2018
14 минут
Редакция
15

Гравитационное замедление времени: удивительный феномен искривленного пространства-времени

Альберт Эйнштейн — один из самых известных физиков XX века. Однако, помимо удивительных теорий, невероятно точно описывающих крупномасштабный мир, он выявил один любопытный феномен: чем сильнее гравитация, тем медленнее идет время.

fig-st1

Свою первую известную на весь мир теорию Эйнштейн назвал Специальной теорией относительности. Она была специальной, так как имела дело с постоянными скоростями. Чтобы примирить ее с реальным миром, в котором объекты постоянно ускоряются и замедляются, ему было необходимо исследовать последствия своей теории, когда речь заходила об ускорении. Эта попытка обобщить и учесть все общие феномены привела к открытию отношения между временем и гравитацией. Эйнштейн назвал свою новую теорию Общей теорией относительности.

 

Ньютон считал, что поток времени похож на стрелу. Оно непоколебимо движется только в одну сторону — вперед. Эйнштейн предположил, что время изменяется обратно пропорционально скорости. И благодаря своей текучести, подобно пространству, оно «заслуживало» собственного измерения. Более того, Эйнштейн утверждал, что пространство и время представляют собой единое целое — гибкую четырехмерную ткань, на которой происходят все события Вселенной. Он так и назвал это — ткань пространства-времени. Когда физик опубликовал свою работу со всеми ее выводами, ее встретили с недоверием. 

 

Согласно Общей теории относительности, вещество растягивает и сжимает ткань пространства-времени. Получается, что объекты не притягиваются к центру Земли каким-то таинственным образом, а скорее, наоборот, подталкиваются искривленным пространством вокруг себя. Подобно склону, искривление пространства-времени ускоряет объекты, движущиеся вниз, хотя степень этого ускорения не всегда одинакова. Сила гравитации возрастает с приближением к поверхности Земли, где искривление интенсивнее.

 

История Вселенной на стреле времени / © NASA/GSFC

 

Если сила гравитации возрастает при движении вниз, объект свободно упадет в точку Б на поверхности быстрее, чем в точку А на большей высоте. Согласно Специальной теории относительности, время для свободно падающего объекта в точке Б должно идти медленнее относительно объекта в точке А из-за того, что скорость объекта в точке Б выше.

 

Что такое время

 

Какое время верное? Эйнштейн постулировал, что абсолютного времени нет. Время относительно в зависимости от системы сил, которым оно подвергается. Формально это называется системой отсчета. Время, протекающее в рамках вашей системы, называется собственным временем. Если законы движения должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, независимо от их движения, то время должно замедляться. То есть чем быстрее вы движетесь, тем медленнее ваши часы тикают относительно других часов. Именно об этом героиня Энн Хэтэуэй говорила персонажу Мэтью МакКонахи в «Интерстелларе» после спуска на далекую планету: «Один час на этой планете равен семи земным годам».

 

Итак, является ли наблюдение замедленного времени ограничением нашего примитивного неврологического строения или же время действительно замедляется? И что вообще означает замедление времени? В итоге это приводит нас к вопросу: что есть время? Это не просто вопрос, который задают друг другу студенты философского факультета за бокалом пива. Понятие времени озадачивало натурфилософов и физиков с незапамятных времен.

 

Главная функция времени — отслеживание хронологии событий. Однако вплоть до последних 400 лет люди определяли время, основываясь на предположении, что звезды движутся вокруг Земли, а не наоборот. Несмотря на это, все работало до определенной степени приемлемо — из-за того, что дни и времена года предсказуемо повторялись, а когда у вас есть что-то предсказуемо повторяющееся, то есть и механизм для отслеживания времени.

 

Галилео использовал рекурсивную природу такого механизма для вычисления движения. Описание движения было бы невозможным без какого-либо обозначения времени. Но это время никогда не было абсолютным. Даже когда Ньютон формулировал свои законы движения, он использовал понятие времени, в котором две пары часов тикают синхронно не с абсолютным, независимым временем, а друг с другом. Синхронизация — причина, по которой человечество соорудило такие сложные и точные атомные часы.

 

Понятие времени построено на одновременности или решающем совпадении двух событий — вроде прибытия поезда и уникального совпадения стрелок часов в этот момент. Теория Эйнштейна утверждает, что на это должно влиять движение. Если два наблюдателя на платформе и поезд не могут прийти к единому мнению о том, что одновременно, они не могут прийти к согласию о том, как течет само время.

 

Движение искажает время

 

Чтобы понять влияние движения на предсказуемость, рассмотрим простейший механизм для отсчета времени. Представьте себе аппарат для отслеживания времени, состоящий из фотона, который отражается между двумя зеркалами, расположенными на конечном расстоянии друг от друга. Пусть за период отражения фотона проходит одна секунда. Теперь расположим два таких аппарата в точках А и Б над поверхностью Земли и прямо на ней (как в примере, описанном выше) и посмотрим, как они отсчитывают время, когда мимо них проносится свободно падающий объект. В свою очередь, этот объект измеряет собственное время при помощи таких же часов. Что они покажут?

 

Наблюдение отражения фотона между двумя движущимися зеркалами похоже на наблюдение теннисного мяча, прыгающего по движущемуся поезду. Даже если мяч отскакивает перпендикулярно для кого-то в поезде, для неподвижного наблюдателя снаружи он описывает треугольники.

 

Эксперимент с падающими часами / © Science ABC

 

При движении аппарата вперед кажется, что фотон, подобно мячу, преодолевает большее расстояние после отражения. Получается, один результат нашего эксперимента искажен! Более того, чем быстрее движется аппарат, тем больше фотону нужно времени для отражения, тем самым растягивается и длительность секунды. Именно поэтому ход времени в точке Б оказывается медленнее, чем в точке А (вспомним: из-за гравитации объект падает в точке Б быстрее, чем в точке А).

 

Конечно, эта разница ничтожна. Разница между временем, измеренным часами на вершинах гор и на поверхности Земли, — всего несколько наносекунд. Тем не менее открытие Эйнштейна стало настоящим прорывом. Гравитация действительно мешает ходу времени, а значит, чем массивнее объект, тем медленнее время течет вблизи него. Некоторые физики даже делают оговорку о том, что все объекты во Вселенной будто чувствуют это и стараются падать туда, где время идет медленнее, из мест, где время идет быстрее.

 

Гравитационное поле Земли и GPS-спутник / © NASA

 

Ноги моложе головы

 

Сегодня гравитационное замедление времени не только известный феномен из области теоретической физики, но и практический инструмент. Благодаря открытию Эйнштейна и его уравнениям, у нас есть такая замечательная вещь, как GPS-навигация, которая не смогла бы работать так точно, если бы не была учтена разница между ходом времени на поверхности Земли и ходом времени на околоземной орбите. Гравитационное замедление времени также помогает физикам-теоретикам и астрофизикам строить точные теории о том, что происходит в далеком космосе вблизи объектов, к которым мы пока не можем подобраться физически (например, черные дыры и нейтронные звезды). И да, учитывая этот феномен, получается, что ваши ноги — пусть и бесконечно незначительно — младше вашей головы.

Позавчера, 14:50
3 минуты
Денис Гордеев

Меняющаяся структура глобального рынка автомобилей приведет к массовым сокращениям.

Вчера, 18:58
37 минут
Александр Березин

Поток новостей показывает каждое научное открытие как необычно важное, отчего бывает сложно выделить самые значимые. Вот наша версия десятки самых выдающихся научных достижений года. Расскажем о них поподробнее.

5 часов назад
4 минуты
Сергей Васильев

В янтаре сохранились не только перья динозавров, но и пившие их кровь насекомые мелового периода.

Позавчера, 14:50
3 минуты
Денис Гордеев

Меняющаяся структура глобального рынка автомобилей приведет к массовым сокращениям.

7 декабря
4 минуты
Илья Ведмеденко

Эксперты измерили радиолокационную заметность нового шведского корвета типа «Висбю»: она оказалась чрезвычайно малой.

8 декабря
24 минуты
Редакция

Конспирологические теории давно вышли за пределы камерных форумов в Сети и разговоров на кухнях – сегодня о них можно прочитать в газетах и услышать по ТВ. Их сторонники считают, что Земля плоская, первые лица государств – инопланетяне-рептилоиды, а ВИЧ выдумали фармакологические компании. Разберемся, какие особенности нашего восприятия делают конспирологию такой привлекательной и может ли вера в мировой заговор нанести реальный ущерб.

15 ноября
6 минут
Никита Шевцов

Ученые впервые воспроизвели в реальности парадокс друга Вигнера. В результате физики выяснили, что квантовые явления субъективны: каждый наблюдатель может иметь свои альтернативные факты насчет них, и все они будут правдивы.

4 декабря
39 минут
Александр Березин

В 2017 году от рака умерло 9,6 миллиона человек, и с каждым годом эта цифра будет расти. Есть ли способы остановить наступление этой болезни на человеческие жизни?

18 ноября
4 минуты
Сергей Васильев

Накопление эпигенетических модификаций ДНК позволило провести параллели между возрастом собак и людей и найти новую формулу для пересчета одного в другой.

[miniorange_social_login]

Комментарии

15 Комментариев

Gennady Vladimirovich
4 недели назад
-
0
+
глупость полная...движение создает пространство и время...оно первично а эти только следствия движения...и нет никакой гравитации...есть приталкивание еще найденное ломоносовым
Dante Alighieritotsamiy
4 недели назад
-
1
+
Святой Эйнштейн, сколько же фриков в комментариях, которые себя считают умнее большинства физиков.
    Gennady Vladimirovich
    4 недели назад
    -
    0
    +
    ты явный пациент дурдома - обрезанного еврея в святые вывел...лечись чувак
    Gennady Vladimirovich
    4 недели назад
    -
    0
    +
    ты явный пациент дурдома - обрезанного еврея в святые вывел...лечись чувак
    Gennady Vladimirovich
    4 недели назад
    -
    0
    +
    ты явный пациент дурдома - обрезанного еврея в святые вывел...лечись чувак
Сергей Баранов
09:01
-
0
+
И вот ещё одно дополнение к моей теории гравитации. Если нам известно, что замедляет она, гравитация, время. А время в моём понятии из нашего материального мира это скорость повторения однотипных процессов. И в нашем случае даже разность скоростей в разных местах пространства с разными уровнями гравитации. То разве не закономерно говорить об изменении скорости света в этих местах пространства? Скорость это что? Это соотношение между временными интервалами и расстоянием пройденным за это время. Так какому идиоту пришло в голову городить сказки о искажении пространства если у Вас изменяется ход времени и этим самым явлением изменяется скорость света. Почему Вам нужно было извратить факты? Если наш мир состоит из волн, которые транспортирует пространство на одной единственной и всем известной скорости, и причём практически это и есть его основная функция - транспортировка на скорости света. То почему вы не допускаете влияния изменения характера движения и плотности волн на эту транспортную функцию пространства как не являющегося чем то идеализированным, а потому подвластному влиянию на него? И какому болвану пришло в голову назвать его пустым, а значит несуществующим, не реальным, и потому неподвластным ни изучению, ни осмыслению? А если это оно полностью определяет многообразие существующих во вселенной частиц, как единственно возможной формы существования энергии-волны при разных плотностях в этом пространстве? И время в пространстве имеет совсем другой смысл, который нам не осознать не изучая его. Поля, кстати, это тоже его порождения и они ни что иное, как простое продолжение частиц в пространстве, и похоже не у всех скорость равна скорости света. А значит и само время может быть разных уровней и скоростей реализации настоящего может быть больше. Некоторые моменты реальности попросту могут находится в сформированном и не проявленном виде. Как и существовать практически вечно.
Сергей Баранов
09:01
-
0
+
Мне всегда было интересно понять именно суть происходящего и естественно я прилежно учился, много уделял этому внимания, и всё больше и больше разочаровывался. А в месте стем начал себя чувствовать изгоем. Чем больше я пытался вникнуть в объяснение сути замедления времени, тем устойчивее было ощущение будто над моим мозгом нагло издеваются. Давайте по порядку. Я не отрицаю фактов самого замедления времени. Это просто глупо. Но где причина? Внимательно всё изучив, я понял, что релятивисты врали сами этого не понимая но этому непониманию продолжают учить и далее. Вот факты. Время замедляется движением. Время замедляется гравитационным полем. Факта два. Логично считать, что мы имеем два абсолютно разных и независимых явления. По крайней мере не стоит их смешивать в одну кучу и на основе этой смеси искать логические выводы. Причины разные, пока не доказано обратное. А теперь про часть связанную именно с скоростью движения. В примере парадокса близнецов и в других фактах ясно, что явление имеет абсолютный характер, и описывает явно изменения связанные с скоростью движения. И относительность здесь уместна только для описания где время медленнее, а где быстрее. Измерение скорости имеет всегда точку отчёта, и если у вас оба объекта в быстром движении, то возможны обе ситуации, а именно замедление и ускорение хода часов при смене относительного направления движения. И этот факт элементарно маскируется большой величиной скорости проверочных часов с целью получения хорошо определяемого эффекта. И это ещё одно подтверждение наличия абсолютной системы отчёта. Всё происходит относительно пространства. И в данном случае пространство является не только точкой отчёта но и транспортной системой волн и материи. Теперь о формуле замедления времени. Почему в ней основной фигурант скорость света? Где ваше любопытство? О чём говорит эта формула? Да о том, что если предмет находится в движении то возникает некий дефицит возможности достигнуть предметом этой скорости. Чем быстрее бы двигаетесь, тем меньше вы можете разогнаться. Если у вас скорость 0,5С, то вам уже не разогнаться выше 0,5С. Нет, иллюзия приближения к скорости света у Вас конечно будет, но из неподвижной системы вы не получите никогда данных о превышении скорости света. Это же факт. Вот вам и ответ о механизме замедления времени. Не поняли? Почему скорость напрямую связанна с скоростью света? Да ответ же очевиден. Мы состоим из волн, а эти волны постоянно изменяют своё направление движения на противоположное. И уникально точно сбалансированная система взаимно противоположных путей волны даёт нулевой баланс движения частицы в пространстве, то есть - она неподвижна. Нарушение баланса равенства путей приводит частицу в движение. Это означает - путь вперёд удлиняется с скоростью к бесконечности, а путь обратно стремится к нулю, но протяженность сумы этих путей всё равно растёт. И тоже самое происходит и с временем, потраченным на преодоление этого пути. Если эти два, противоположных по направлению движения, принять за минимальный цикл равный единице при неподвижном состоянии, то в движении извлечение квадратного корня из этого временного интервала и будет замедлением времени. Ну и где тут теорема Пифагора или место глупым росказням про световые часы? А всего то, нужно было их положить набок.
ulogin_vkontakte_264160968
09:01
-
0
+
Искривлённое "пространство - время", а что, собственно, обозначается этим термином, какая материальная форма (если речь идёт о физике, а физика изучает материальные формы)? Где дано определение этого термина (а физика оперирует определённой терминологией)? Что является физическим носителем обозначаемого этим термином, и что, собственно, искривляется, да так, что из-за этого искривления изменяется макроматериальная среда? Если на базе этого термина выстроен весь силлогизм ОТО, но, при этом, никто не может дать определение и указать на физические основания этого термина, то на каком основании ОТО признаётся научной теорией?
Wlad Wlad
09:01
-
0
+
Именно в силу своей "гениальности" Эйнштейн любую критику своей теории называл "особой формой антисемитизма". Известно, что галактики образуют ячеистую структуру - сетка из галактик и пустые места воиды. И казалось бы что как раз на этом уровне и должно наблюдаться это самое пресловутое "искажение пространства". Ан нет - путем многократных измерений астрономы доказали, что в пределах видимости Вселенная является ЕВКЛИДОВОЙ. Иначе говоря, ТО Эйнштейна - это наукообразный бред.
    Сергей Баранов
    09:01
    -
    0
    +
    По этой теме я так же ломал голову. Есть несколько фактов у нас прямо перед глазами. Я даже не понимаю как их можно не замечать. Нужно просто задать элементарно простые вопросы во время повествования о искривлении пространства и попытаться ответить на них самостоятельно. И я хочу Вам показать такой пример. Самый первый вопрос - как именно деформируется пространство? Уточняю этот простой вопрос. Оно сжимается или растягивается? Это же уместный вопрос? Тогда идём далее, опираясь на официальную версию. В этой теории постулируется бездоказательная аксиома о полном равноправии систем. Подразумевается неизменность скорости света в любых системах отчёта на основе оптической иллюзии к которой применили без всяких на то оснований теорему Пифагора. Но пока не об этом. Я на текущий момент принимаю условия этой теории и развиваю простое логическое следствие из неё. Пусть мы имеем единое пространство-время как некий эталон где подобранные эталон времени и эталон протяженности пространства тоже являются единицами и в результате движения света в этом пространстве имеем их соотношения в виде скорости света которая так-же является эталоном, единицей. А теперь бросаем в эту теорию пробный камень. Как движение луча света может изменить ход времени? Да очень просто. Нужно вместе с растяжением времени ещё и пространство или протяженные в нём отрезки растянуть с той целю, чтобы оставить неизменным их соотношение, а соотношение это и есть скорость света. Далее следуя этой же логике нужно принять наше вмешательство в метрику вселенной, поскольку в подвижной системе вся вселенная отзовётся ускорением хода времени в ней и искажениями пространственных протяженности отрезков. Абсурда мало? Так получайте ещё парочку. Когда вселенная узнает, что мы в ней ускорили время? И почему это чисто визуальные эффекты привели к замедлению наших собственных часов по окончанию эксперимента, тем самым закрепив навечно подтверждение влияния видимого эффекта на реальный мир? Это были вопросы для разминки. А теперь по сути гравитации, исходя из тех-же условий равноправности систем. Мы так же точно и достоверно знаем о замедлении времени в поле гравитации. Это означает, что пространство-время, пытаясь сохранить пропорции для сохранения скорости света, растянув время должно растянуть и протяженности, иначе скорость света изменит своё значение. И означает это, что пространство должно вырасти в геометрических размерах и все пребывающие в нём предметы должны стать крупнее во всех отношениях. Ёмкость пространства на материальные объекты и их плотность как бы и не изменится для пребывающих в нём, а вот сторонним наблюдателям всё будет казаться раздутым. И это не я придумал, это математическое следствие теории. А кто ни будь это наблюдал? Обсуждал? Но и в связи с этим есть вполне законный вопрос - а как это у разреженного, раздутого пространства, плотность которого так сильно упала и так возросла ёмкость, и способность вмещать в себя сверхплотные объекты типа чёрная дыра, и нейтронная звезда?
Альберт
09:01
-
0
+
Свойства времени свойства пространства, и свойства материи зависят от частоты колебания и амплитуды энергетического мироздания в пределах одного фрактала на определённом уровне. Можно сказать, что попасть можно в любую точку пространства-времени, изменив режим колебания и амплитуды. Сейчас мы находимся в периоде расширения Вселенского фрактала, - вот вам и путешествие во времени! Кстати, в эту теорию хорошо вписывается такое понятие, как дежавю, вероятно происходят резонансные явления и человеку кажется, что это уже было. А это и было, ведь произошла резонансная накладка прошлого состояния колебаний и нового. И ещё, версия, что при путешествии во времени в прошлое можно изменить будущее, при такой теории не состоятельна, потому, что изменение колебаний энергетического мироздания возможно только локально. Ведь, возможности человека в любом случае никогда не превысят возможностей ВРЭС, то есть Бога.
    Сергей Баранов
    09:01
    -
    0
    +
    Вся статья построена из откровенного бреда. Нет прямой связи между скоростью света и движением вещества. Ну и, что вам до того, что свет где то проходит какой-то путь? Какая связь света и материальных часов? Где она? Это же детектив в чистом виде. Свет не может изменять скорость, значит это время изменяет скорость. Логика правильная только отчасти. В том смысле - да, у Вас есть подсказка, а почему это происходит релятивисты как последние свидетели пустого пространства умалчивают, но за то умников каких из себя корчат. Умные аж жуть, и по сему им вопросы задавать глупые не моги. Глупо спросить - что же такое движение? Что же такое время? А ведь если придерживаться мною высказанной версии, что вещество состоит из волн изменяющих своё направление на противоположное, то движение - процесс движения волны с нарушением баланса противоположных путей. Замедление времени - процесс удлинения среднего пути волны в приделах частицы при смене направления движения её в этом же процессе движения. Замедление времени от гравитации вызвано в следствии снижения скорости света в гравитационном поле. Градиент скорости света наложенный на размеры частицы приводит к смещению границ отражения волны внутри частицы, и проявляется это как смещение её положения в сторону максимального снижения скорости света. Это и есть ускорение свободного падения. Сама же симметричная волна частицы начинает разматываться в одну линию, это является полным эквивалентом превращения потенциальной энергии массы частицы в кинетическую энергию движения. Масса вообще является следствием смены направления движения волны внутри частицы. И проявляется в виде поля, которое кратковременно замедляет способность пространства проводить волну с прежней скоростью с центром в точке смены направления. Нет ни какого четвертого измерения, нет ни каких искривленных пространств, как и нет в пространстве ничего кроме волн, и нет никаких других скоростей, кроме одной - скорости света и она может изменяться от влияния волн на способность пространства проводить волны. Но так думать запрещено релятивистами, а посему читаем бредни фантастов о кротовых норах, отрицательных энергиях, путешествиях в прошлое к динозаврам и сидим тихонько на земле, ждём повторного появления этих монстров, ни тебе искусственной гравитации, ни движения вещества с скоростью света, ни межзвёздных путешествий, ни холодного термояда, ни навигации в полностью закрытом космическом корабле. Тратте силы на сказки, и будите слепы к очевидным фактам. Верьте гению всех времён и одного народа.
      Альберт
      09:01
      -
      0
      +
      Свойства времени свойства пространства, и свойства материи зависят от частоты колебания и амплитуды энергетического мироздания в пределах одного фрактала на определённом уровне. Можно сказать, что попасть можно в любую точку пространства-времени, изменив режим колебания и амплитуды. Сейчас мы находимся в периоде расширения Вселенского фрактала, - вот вам и путешествие во времени! Кстати, в эту теорию хорошо вписывается такое понятие, как дежавю, вероятно происходят резонансные явления и человеку кажется, что это уже было. А это и было, ведь произошла резонансная накладка прошлого состояния колебаний и нового. И ещё, версия, что при путешествии во времени в прошлое можно изменить будущее, при такой теории не состоятельна, потому, что изменение колебаний энергетического мироздания возможно только локально. Ведь, возможности человека в любом случае никогда не превысят возможностей ВРЭС, то есть Бога.
    Сергей Баранов
    09:01
    -
    0
    +
    Для нас время и движение это два простых процесса, а именно это процесс постоянных смен направлений движения волны из которого сделано вещество из-за которых при равенстве баланса противоположных движений волны, частица остаётся неподвижной, движение происходит в следствие нарушения этого баланса из-за притока вполне материальной энергии. Это в свою очередь увеличивает время прохождения волны вперёд и обратно как их суму. Всё, чему нас заставили верить и тратить на это силу и время, просто глупая попытка релятивистов объяснить то, что они не понимали. Это очень обидно, их бред стал частью нашей жизни. Всё проще, и всё не так. Когда замедление времени - процесс, движение - процесс то, что же искривляется и какой должна быть машина времени?
      Альберт
      09:01
      -
      0
      +
      Свойства времени, свойства пространства, и свойства материи зависят от частоты колебания и амплитуды энергетического мироздания в пределах одного фрактала на определённом уровне. Копайте в этом направление. Успехов!

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: