Hvordan kan tiden være relativ?

Intuition og opfattelse ( eller manglen på der af) kan være et stort problem, når du “forsøger at forstå konsekvenserne af særlig / generel relativitet. Du skal forstå, at i hverdagen, der brænder vores intuition, er ret langsom. De fleste mennesker bevæger sig ikke hurtigere end $ 900 km / t $ eller $ 250 m / s $. Og det er en luksus for de fleste at rejse med en hurtig jetfly.

Lysets hastighed er svimlende $ 299 792 458 m / s $. Det er en million gange hurtigere end alt hvad vi har i dag. fordi tiden ser ud til at være relativt absolut (ordspil beregnet) set fra vores synspunkt, fordi vores scene er ret lille, den tid, det tager let at udbrede sig fra et punkt til et andet, er så lille, betyder det ikke, at tiden virkelig er uforanderlig. p>

Det interessante er, at mens Michelson & Morley arbejdede på deres fantastiske interferometer for at måle Jordens hastighed i forhold til den “magiske æter”, en mand ved navnet på Hendrik Antoon Lorentz gjorde en fascinerende opdagelse om tingenes art, især elektronernes natur. Interferometerets bevægelsesretningsdele trak sig sammen, da de bevægede sig, og forhindrede således, at der kunne registreres relativ bevægelse eller interferens. signaler kom altid på samme tid på grund af længdekontraktionen i retningen bevægelse.

Michelson kunne ikke acceptere dette. Det stred mod hans livs arbejde. Lorentz gjorde det matematiske fundament som en forklaring på problemet, men han gjorde ikke meget for at analysere resultatet. Einstein kom til de samme ligninger ved at følge en anden tankegang, denne gang involverede karakteren af Relativitet i Galilei-Newton (som generede ham), lysproblemet og alle de beviser, der pegede på, at udbredelse gennem rumtid er begrænset af en hastighedsgrænse. $ 299792458 m / s $. benet “naturen kastede ham. Lysets hastighed er konstant for ALLE observatører. Uanset om de” sidder, falder, løber, flyver, sover. Et lyssignal er nøjagtigt $ c $ til enhver tid. Uanset hvor hurtigt du bevæger dig i forhold til andre.

Hvis det er sandt, så skal noget andet bøjes. Rum og tid bliver sammenflettet for at imødekomme vores eksistens, for at lade lyset rejse på $ c $ for alle observatører. Fra disse enkle postulater, som inkluderer manglende evne til at differentiere intertiale referencerammer, kommer døden af samtidighed og af absolut tid.

Et simpelt bevis involverer et ur i bevægelse, der passerer nøjagtigt tid $ t $ i hans op-ned-tur. Når det begynder at bevæge sig med nogen, en anden observatør – vil du på jorden bemærke, at dens sti forlænger i forhold til dig. Derfor stiger den tid, det tager at gå op og ned til $ t_1 $.Hele tiden ser manden på den bevægelige platform lyset perfekt synkroniseret, op og ned, fordi han bevæger sig med det. Derfor er du den, der bliver bremset i tide for ham ($ t_1 $

Det er en særlig relativ relativitet, men den, der virkelig oplever langsommere forfald eller de relativistiske effekter, er den mand, der accelererer. Så ja, tiden er relativ for at beskytte konstanten af lysets hastighed .

Håber det hjælper. Og giv det tid. Det er blevet bevist mange gange, og meget videnskabeligt arbejde i dag er afhængig af relativistiske virkninger af tidsudvidelse.

TILLÆG:

Det er nøjagtigt eftervirkningen af dette. Forfald er tidens gang. De biologiske processer er de samme, men hvis han bevæger sig rigtig hurtigt (og lad os sige ensartet), forsinkes tiden for manden ombord til enhver anden observatør (lightclock-tankeeksperiment, bevist med satellitsynkronisering og plan / atomur-eksperimenter) ). For alle andre observatører trækker skibet sig sammen. For manden ombord føler han intet. Tidens gang er den samme, og skibets dimensioner er de samme. For at beskytte relativitet, ser at andre bliver bremset i tide og kontraheret. Men det er ham, der accelererede, derfor er han oplever tidsudvidelsen.

Og således indebærer tidsudvidelse en langsommere tidsforløb for manden ombord i forhold til andre stationære observatører. Han føler sig normal i forhold til ham , tiden løber “pænt”, men når han kommer tilbage, vil de relativistiske effekter have gjort deres del baseret på den berømte $ \ gamma ^ {- 1} = \ sqrt {1− (v / c) ^ 2} $. Detteer endnu ikke bevist direkte, men det udledes af forskellige eksperimenter udført af fly og atomure og også behovet for at synkronisere satellitter efter et stykke tid på grund af tyngdeforskellen. Hvorfor? Tiden går langsommere, henfaldet afhænger af tiden, langsommere henfald.

Det sidste og vigtigste punkt ville være, at tiden går for alle på samme måde ( du kan ikke mærke en ændring. Men det er relativiteten (sammenlignet med en anden), der gør det muligt for os at opdage forskelle i tidsforløb. Ligesom du ikke kan vide, hvordan det føles at være en kanin, fordi du aldrig har haft en chance for at være en til at foretage sammenligningen. En stump, men nøjagtig sammenligning. Ligesom du ikke kan forestille dig en anden slags eksistens, fordi du ikke kan sammenligne med et andet univers (vi har aldrig været i det). Det “er kernen i relativitet. Alt, hvad vi kender, er relative. Det” s “hvordan” vi ved.

Men skønheden i det menneskelige sind og al videnskabs triumf ligger i, at vi kan overveje dette, vores egne begrænsninger, vores måder at tænke på. Og ved at gøre det finder vi en måde at overvinde dem på eller få mest muligt ud af dem.

Kommentarer

• dette er fantastisk og hjælper meget. Jeg har endnu et spørgsmål. Jeg forestiller mig, at jeg beder dig om at tilpasse år med studier til 500 tegn, men hvad gør henfaldet for den rejsende mand langsommere? Det er her min hangup er lige nu. Er det bare en af de ting, jeg skal acceptere, som jeg aldrig vil forstå, eller er der et simpelt svar?
• Jeg ‘ har skrevet et tillæg i et forsøg at forklare, håber det hjælper.
• Intet problem, nyd fysik!
• Jeg er ikke sikker på Einstein, selvom lysets hastighed var 299792458 m / s, da denne værdi optrådte måske årtier senere .
• Det er moderne fakta, på Einsteins tid blev det målt til omkring $ 186350 $ miles i sekundet, lidt over i dag ‘ s præcise måling. I dag giver ‘ gentagelser af MichelsonMorley-eksperimentet en million gange mere præcise resultater. Det, der var vigtigt for Einstein, er det faktum, at alle beviser pegede mod lysets konstantitet. Den specifikke værdi er ikke ‘ t selv vigtig, du kan udtrykke hastighed som en procentdel af lysets hastighed af hensyn til argumentet, og det fungerer stadig. Men ja, det ‘ er ikke helt historisk nøjagtigt, det ville kræve en bog at skrive den ud.

Du “er” forståelse af tid “er helt okay. Det du mangler er forholdet mellem rum og tid. Hvis du (en observatør) sidder (flyver) der og ser bare på dine ure – så vil du aldrig mærke nogen tidsudvidelse.

Relativistiske effekter vises, når vi har forskellige observatører på forskellige steder i rummet. Bevæger os rundt, observerer, sender signaler osv. Og når disse observatører prøver at lave et sammenhængende billede af deres observationer, kommer de til den konklusion, at man ikke kan udvide sin lokale “tidsforståelse” til “forståelse af tid” for hele rummet.

Faktisk viser rum og tid sig at være meget stærkt sammenflettet, så vi foretrækker normalt at bruge udtrykket rumtid .

Så her er handlen. “Tiden er relativ” betyder mange forskellige ting for mange forskellige mennesker. For at tage et solidt skridt fremad, Einstein og virksomheden havde stort set behov for at afklare, hvad de forsøgte at sige.

Det, de forsøgte at sige, ser sådan ud: “hvis du ser et tog passere forbi dig, vil du se tingene ske lidt “hurtig bevægelse”, når den er i en afstand, der kommer mod dig, og i lidt “langsom bevægelse”, når den er i en afstand, der bevæger sig væk fra dig. Det er ingen overraskelse; når du hører toget blæse sit horn, lyder det højere -hældet når det nærmer sig og sænkes, når det forlader. MEN når du med succes korrigerer for denne “Doppler-effekt”, når togets hastighed kommer tættere på lysets hastighed, vil du opdage, at faktisk , i dine koordinater, tr ain og ting der sker inde i det ser ud til at ske i ensartet “slowmotion”, bremset med faktoren $ 1 / \ sqrt {1 – v ^ 2 / c ^ 2} $. “

Som du kan forestil dig, denne effekt er lidt svær at observere! Det kommer virkelig fra at “tilføje” mange små effekter, der skete, da toget accelererede til denne enorme hastighed.

Den mest åbenlyse lille effekt er, at når du accelererer i $ x $ -retningen, ændres din hastighed med et lille beløb $ \ delta v $, din følelse af pladskoordinater ændres til $ x \ rightarrow x “= x – t ~ \ delta v $. Det vil sige en mur, som du plejede at tro var konstant” 5 fødder væk “(i x-retning) begynder nu at være” 5 meter væk “, men efter lidt tid kan det være” 4 meter væk “, derefter” 3 meter væk “, derefter” 2 meter væk “, og så videre. Dette er meget indlysende og var kendt af Galileo og Newton.

Men der er også en subtil effekt om tiden. Antag at du har ure på to vægge, den ene er $ x = + 5 $ fod væk, og den ene er $ x = -5 $ fod væk. Denne effekt siger, at de bliver ude af synkronisering lidt, $ t \ rightarrow t “= t – x ~ \ delta v / c ^ 2 $. $ C ^ 2 $ er et stort antal der historisk gjorde denne egenskab med acceleration fuldstændig uvidende. Men vi kan ikke ignorere det så meget i disse dage, ikke med partikler med høj hastighed, som vi skal beregne.

Nu viser det sig, at du er nødt til at bryde bortset fra hvad der sker i små tidsintervaller, når du accelererer, men hvis du tilføjer denne lille ændring mange gange, så siger det både, at ting, der sker i dit tog, ser ud til at være i slowmotion i forhold til mennesker uden for tog, men også at ting der sker uden for toget ser ud til at være i slowmotion i forhold til hvad der sker i toget. Så det er fordi tiden har denne lille “vi begynder at være uenige om samtidigheden af fjernhændelser” ejendom, at til sidst opbygger vi en større “vi begynder at være uenige om, hvor store ting er, og hvor hurtigt deres ure tikker” uoverensstemmelse. Og den store del ved det er: I er begge korrekte. I har begge gyldige koordinater, der perfekt beskriver verden.

Faktisk troede mange samtidige Einstein, at den nyere “elektrodynamiske” videnskab, som antydede, at disse ting var grundlæggende ødelagte. Før Einstein vidste folk om disse problemer på grund af en fyr ved navn Lorentz, men havde ikke en tendens til at tage sit arbejde for alvorligt. Einsteins papir fra 1905 sagde effektivt, “vi er nødt til at tage ham alvorligt.”

En grund, som vi nu kan sætte pris på, er: vi ved nu, at matematikken er fuldstændig selvkonsistent. Ingen er nogensinde uenige om rækkefølgen af begivenheder, og ingen kan bruge disse underlige “de-synkroniserende ur” -effekter til at rejse i tide, medmindre de på en eller anden måde finder en måde at bevæge sig hurtigere end lysets hastighed. Der er en anden grund til, at vi tror, at ingen kan bevæger sig hurtigere end lysets hastighed, hvilket har at gøre med nøglefakta om disse de-synkroniserende ure: De koordinerer sammen med ændringen i dine rumlige koordinater for at sikre, at når du holder op med at accelerere, tror du stadig, at lyset bevæger sig hver retning med konstant hastighed $ c $, selv i dine nye $ (x “, t”) $ koordinater. Dette betyder, at hvis du udfordrer nogen til at køre en lysstråle, og de begynder at bevæge sig med hastighed $ c / 2 $ i forhold til dig bevæger lyset sig ikke $ c / 2 $ væk fra dem i deres koordinater, men med hastighed $ c $ væk fra dem. Så der “Et ægte Zeno Paradox her, der garanterer, at ingen nogensinde kan løbe ud af lyset.

Det mest oplagte paradoks, der viser sig ikke at være en stor ting, er,” hvis jeg tror, at folkene i toget bevæger sig langsomt bevægelse, og de ser mig i slowmotion, kan jeg ikke kalde en af dem op og vi vil se, hvem der er hurtigere, og hvem der er langsommere på telefonopkaldet ?. Og svaret på det er ja, hvis en telefon kunne overføre information med det samme, ville naturen skulle etablere en af disse mennesker som korrekte og en af dem som ukorrekte.Men selvfølgelig er ægte telefoner også nødt til at transmittere energi ikke hurtigere end lysets hastighed – og dette giver den nøjagtige tvetydighed, som du har brug for for at sikre, at begge er helt korrekte og ingen af dem man kan kræve overherredømme over den anden.

Så det, vi mener med “tiden er relativ”: nogen på gaden, efter at have korrigeret for dopplereffekter, mener stadig, at folk i toget bevæger sig ” i slowmotion “og dermed ældes langsommere end folk på jorden. Folk i toget ser selvfølgelig bare fint, men efter at have korrigeret for Doppler-effekter tror de at folk på jorden bevæger sig” i slowmotion “og dermed aldrer langsommere end mennesker i toget. Begge grupper har gyldige koordinater, og vi kan ikke vælge imellem dem. Når du finder et eksperiment, der rent faktisk ser ud til at teste det, som “Nå stopper vi toget og går ud og kontrollerer deres alder”, koordinerer de skift afbalancerer altid alt, så der ikke er noget paradoks: normalt den person, der accelererer, bliver “forkert”, så hvis vi fremskynder at hoppe på toget, ser vi folkene på toget bevæge sig i hurtig bevægelse, indtil de ser ud til at være ældre end os, og det viser sig, at “toget var ret”; men når toget går langsommere for at kontrollere aldrene for folkene på jorden, bevæger alle disse mennesker sig i hurtig bevægelse, indtil de ser ud til at være ældre end folkene på toget, hvorfor “jorden var rigtig.” Ingen af dem var virkelig helt rigtige, men der er en sammenhængende matematik, hvor eksterne ure, der syntes synkroniserede, pludselig bliver lidt ude af synkronisering og forårsager systematisk uenighed om, hvor hurtigt ure tikker generelt.

Jeg vil gerne tilføje et par ord til Domagoj Pandža “s fremragende svar . Han kommer med denne erklæring:

“…. Intuition og opfattelse (eller manglen på der) kan være et stort problem, når du prøver igen at forstå implikationerne af speciel / generel relativitet … “

Jeg synes Domagojs svar er fremragende, men jeg er lidt uenig i denne påstand . Faktisk overlever næsten alle vores intuitioner om tid speciel relativitet: det er for mig det mest bemærkelsesværdige af alle. Hvad relativitet lærer os er, at der er mere end én gyldig ekstrapolering fra vores daglige fysiske intuitioner, som er konsistent med dem: vores intuition er sund, det er simpelthen, at det første gæt ved en ekstrapolering fra det, nemlig den galileiske relativitet med sin vektoraddition af relative hastigheder mellem inerti-rammer, ikke er korrekt. Dette er den unikke relativitet, der kan følge af Galileos relativitetsprincip – at intet eksperiment fra en inertial ramme kan opdage rammens bevægelse fra observationer inden i rammen alene – hvis antager vi, at alle observatører måler det samme tidsinterval mellem to begivenheder i rumtiden. Men Occams barbermaskine fejler undertiden, og hvis vi går videre til det næste enkleste alternativ og slapper af antagelsen om absolut tid, så er der faktisk andre mulige relativiteter, der alle er i overensstemmelse med Galileos og Copernicus grundlæggende principper: disse er de Lorentz-transformationer og parameteren $ c $ bestemmer ganske enkelt, hvilken af denne familie af reltiviteter, der gælder for vores univers.

Men relativ tid: Det er helt sikkert mod alle vores intuitioner? Lad mig prøve at overbevise dig om andet.

Selvom den relative tid, som Domagoj Pandža diskuterer, viser, at samtidighed er relativ, og at forskellige observatører måler forskellige tidspunkter mellem to begivenheder, er ikke desto mindre Lorentz-transformationen, der definerer disse relativiteter, en meget speciel transformation, således at det meste af tiden vigtige intuitive rent fysiske egenskaber er helt uændrede fuldstændigt så . Hvad er disse grundlæggende intuitioner? For mig er de (1) rytme og hastigheder for naturlige processer omkring os i forhold til hinanden og (2) kausalitet: ie virkningerne af eventuelle årsagsmidler, vi er vidne til omkring os, ser altid ud til at komme efter deres årsager i vores univers.

Særlig relativitet ændrer ingen af disse ting selvom tidens numeriske værdi er relativ. Så specielt er Lorentz-transformationen.

Så hvis solsystemet tilfældigvis bevæger sig gennem rummet med en hastighed i forhold til et andet himmellegeme ved hastigheder, der nærmer sig lysets hastighed, har dette ingen indvirkning på de relative fremskridt med fysiske processer, der sker omkring os. Vores kroppe oplever døgnrytme, og ting sker med vores kroppe – vi vokser fra børn, går ind i puberteten, vokser til voksne og bliver ældre og dør i hastigheder, der bærer visse gentagelige forhold til vores sols tilsyneladende daglige bevægelse, ligesom vigtige naturlige begivenheder som årstiderne gør. Så tidsforholdene mellem os og de fysiske processer omkring os er alle de samme.Så tiden “føles” som om den overgår normalt til os, når vi henviser til ting i verden, som alle stadig er relative til os eller bevæger sig meget langsomt. Dette er grundlæggende Galileos princip. Al denne “normalitet” hersker, selvom vores væren i det fjerntliggende himmellegeme vil observere vores fysiske processer: ældning af biologiske væsener, henfald af metastabile partikler og så videre sker meget langsomt i forhold til deres lokale fysiske processer på grund af vores langsommere relative tid i forhold til deres. Og hvis vi bygger avancerede teleskoper, vil vi faktisk se deres fysiske processer bevæger sig langsomt i forhold til vores også!

Dette lyder underligt, men her er clincher. Fordi Lorentz-transformationen er sådan, at ingen årsag-virkning-forhold kan spredes hurtigere end $ c $, kan vi ikke øjeblikkeligt sammenligne noter om, hvad der sker i vores lokale rammer. Forsinkelsen i enhver signalering mellem de to rammer forhindrer enhver modsigelse, der opstår som følge af den gensidige aftagning af hver ramme i forhold til den anden. Dette skyldes, at Lorentz-transformationen giver os noget, der er ud over Galileos princip: for selvom vi skal være uenige med vores fjerntliggende, relativt bevægende observatør om selv rækkefølgen, hvor ting vi observerer hinandens rammer ske, skal vi aldrig være uenige om rækkefølgen af årsagssammenhængende hændelser . Årsager kommer aldrig efter effekter i enhver inertial ramme, vi observerer, uanset hvordan den bevæger sig i forhold til os. Vores fysiske intuition af kausalitet respekteres smukt af særlig og generel relativitet. Topologien på nettet af årsagssammenhænge mellem fysiske begivenheder i rumtiden er fuldstændig uændret selvom nettet kan strækkes og klemmes lidt, når vi ser på det fra forskellige inerti-rammer. Den mest basale intuition af alt – kausalitet – overlever.

Så alt sammen, vores fysiske forestillinger om tid: hvor hurtigt vores kroppe ændrer sig, dag og nat og årstiderne ændres ikke, og ethvert årsagsforhold vi kan observere er uændrede af relativitet. Vi ser kun små forskelle, når vi begynder at tildele numeriske værdier til hastighederne for disse processer, og vi måler dem med ure, som kun den højeste teknologi kan give os. Ikke desto mindre er alle årsagsforhold sandt uanset hvor alvorlige specielle relativistiske effekter bliver.

Jeg siger mere om alle disse ting i mit papir, som jeg håber snart vil blive offentliggjort: Jeg har sendt det til European Journal of Physics. Et fortryk af det er her:

Rod Vance, “Of Groups, Galileo og hvad der er så specielt med lysets hastighed”

Jeg giver også et resumé i mit nylige svar på Physics SE-spørgsmålet “Hvis al bevægelse er relativ, hvordan har lys en endelig hastighed?”

De relativistiske effekter er reelle og er blevet bekræftet eksperimentelt. Universet adlyder faktisk generel relativitet, der nøjagtigt ligner speciel relativitet i fravær af et tyngdefelt og ligner det meget i Jordens tyngdefelt. Ifølge speciel relativitet, har alle objekter deres indre ure bremset med en faktor på 1 / sqrt (v ^ 2 – c ^ 2) og trækker sig sammen i en længde med en faktor på 1 / sqrt (1 – v ^ 2 / c ^ 2 ) i retning af bevægelse. Faktisk forudsiger teorien om særlig relativitet også, at der ikke er nogen måde at opdage absolut bevægelse på. Mit svar her viser, hvordan det kan være på trods af tidsudvidelse. Ifølge til generel relativitet, stationære ure krydser hurtigere, når de “er højere, og ændringshastigheden for ln (tidssammentrækning) med højden er g / c ^ 2, hvor g er tyngdefeltets styrke.

Hvis du tænker over det, eksisterer / flyder tid som vi ikke kender det faktisk – det er vores mentale manifestationer af verdenen omkring os, som vi tænker på som tid. For eksempel er det, vi ser, ikke der, som vi ser det. Objektet sender os lysbølger (kun en lille del muligvis af, hvad objektet virkelig er), vores øjne skal derefter afkode lysbølgerne, og vores hjerne skal afkode det neuronale signal fra vores øjne. Derfor er der mange niveauer af filtrering, der fortsætter, når vi prøver at forstå universet.

Denne filtrering gør det vanskeligt at forstå tidens gang. Tid eksisterer faktisk ikke. Tid eksisterer faktisk ikke, og den flyder bestemt ikke eller går ikke. Hvad tid er – er bare ændringen af partikler i forhold til andre partikler. Vores hjerne giver mening om det skiftende miljø ved passage af tid, der får ting til at ændre sig, men virkelig gør den hastighed, hvormed ting ændrer sig i forhold til andre ting, vores hjerne bevidst om tid. partikler tæt sammen i et lukket rum, de sænkes, fordi de ikke kan bevæge sig hvor som helst, og andre kræfter forhindrer dem i at ændre form så hurtigt som de ellers ville.Derfor bevæger en massetung genstand langsommere i forhold til andre objekter, fordi partiklerne ikke ændrer sig så hurtigt i forhold til partikler uden for objektet. Dette er i det væsentlige, hvad Einstein sagde: objekter med stor masse bevæger sig langsommere end objekter med mindre masse. Einstein forstod også, at den energi, der bruges ved at få partikler til at ændre form, også kan konverteres til energi, der får partikler til at bevæge sig (E = MC ² ), hvorfor en partikel, der bevæger sig, bruger mere energi end en anden partikel med lige masse ved stilstand og dermed også bevæger sig hurtigere gennem tiden. Derfor er masser, der er lige mellem to objekter, den ene bevæger sig hurtigere, hurtigere gennem tiden til det andet objekt.

Kommentarer

• Dette er for det meste (selvmodsigende) vrøvl og fuldstændige misforståelser med en berømt formel.
• Jeg er ikke sikker på, hvordan dens selvmodsigende
• For en hævder du, at ” Tid gør ikke ‘ t eksisterer ” og ” Tid er ændring af partikler i forhold til andre partikler ” på forskellige punkter (hvordan kan noget ikke eksistere, men være noget på samme tid).
• I en forstand ‘ er korrekt, at tiden ikke er reel, fordi samtidighed er relativ. Tidens pil på makroskopisk niveau er reel. Hele tiden observerer vi begivenheder, der ville have været så usandsynlige at gå bagud, uanset om vi eksisterede for at give mening. Eller ikke.
• Jeg er enig i, at: ” tiden er – er bare ændringen af partikler i forhold til andre partikler “. Tid er kun den relative hastighed, som begivenheder opstår. Det findes ikke. Forestil dig en klippe, der ruller ned ad en bakke … tiden får ikke klippen til at rulle, tyngdekraften gør det. Vi tror, at tiden eksisterer, fordi frekvensen af neurale begivenheder, der udgør vores bevidste oplevelse, ser ud til at være konsistent og giver en illusion af tid. Jeg spekulerer på, hvorfor ingen ser ud til at forstå dette, det virker indlysende. Jeg tror, det er fordi folk ikke ser universet som reduceres til molekylære begivenheder, der også styres af årsag og virkning. Fik ‘ ikke sidste afsnit