Hvordan kan tiden være relativ? (Norsk)

Intuisjon og persepsjon ( eller mangelen på det) kan være et stort problem når du prøver å forstå implikasjonene av spesiell / generell relativitet. Du må forstå at i hverdagen som gir drivkraft til vår intuisjon, går det ganske sakte. $ 900 km / t $ eller $ 250 m / s $. Og det er en luksus for de fleste å reise med en rask stråle.

Lysets hastighet er svimlende $ 299 792 458 m / s $. Det er en million ganger raskere enn alt vi har i dag. Bare fordi tiden ser ut til å være relativt absolutt (ordspill ment) fra vårt synspunkt fordi scenen vår er ganske liten, tiden det tar lett å forplante seg fra et punkt til et annet er så liten, betyr det ikke at tiden virkelig er uforanderlig. p>

Det interessante er at mens Michelson & Morley jobbet med sitt fantastiske interferometer for å måle jordens hastighet i forhold til den «magiske eteren», en mann ved navnet Hendrik Antoon Lorentz gjorde en fascinerende oppdagelse om tingenes natur, spesielt naturen til elektroner. Retningsdelene til interferometeret trakk seg sammen mens de beveget seg, og forhindret dermed at det ble oppdaget relativ bevegelse eller interferens. De to lysene signaler kom alltid samtidig på grunn av lengdekontraksjonen i retningen av bevegelse.

Michelson kunne ikke akseptere dette. Det stred mot hans livsverk. Lorentz gjorde det matematiske grunnlaget som en forklaring på problemet, men han gjorde lite for å analysere resultatet. Einstein kom til de samme ligningene ved å følge en annen tankegang, denne gangen som involverte naturen til Relativiteten til Galilei-Newton (som plaget ham), lysproblemet og alle bevisene som pekte på at forplantning gjennom romtid er begrenset av en hastighetsgrense. $ 299792458 m / s $.

Så Einstein «tok beinet «naturen kastet ham. Lysets hastighet er konstant for ALLE observatører. Uansett om de» sitter, faller, løper, flyr, sover. Et lyssignal er nøyaktig $ c $ til enhver tid. Uansett hvor fort du beveger deg i forhold til andre.

Hvis det er sant, må noe annet bøyes. Rom og tid flettes sammen for å imøtekomme naturen i vår eksistens, for å la lyset reise på $ c $ for alle observatører. Fra disse enkle postulatene, som inkluderer manglende evne til å skille mellomliggende referanserammer, kommer død av samtidighet og absolutt tid.

Et enkelt bevis innebærer en bevegelig lysur som går nøyaktig tid $ t $ på opp-og-ned-turen. Når det begynner å bevege seg med noen, vil en annen observatør – du på bakken legge merke til at stien strekker seg i forhold til deg. Derfor øker tiden det tar å gå opp og ned til $ t_1 $.Hele tiden ser mannen på den bevegelige plattformen lyset perfekt synkronisert, opp og ned, fordi han beveger seg med det. Derfor er du den som blir bremset i tide for ham ($ t_1 $ ).

Det er en spesiell relativitet, men den som virkelig opplever tregere forfall eller de relativistiske effektene, er mannen som akselererer. Så, ja, tiden er relativ for å beskytte lysets hastighet .

Håper det hjelper. Og gi det tid. Det har blitt bevist mange ganger, og mye vitenskapelig arbeid i dag er avhengig av relativistiske effekter av tidsutvidelse.

ADDENDUM:

Det er nøyaktig konsekvensen av dette. Forfall er tidens gang. De biologiske prosessene er de samme, men hvis han beveger seg veldig fort (og la oss si det jevnt), bremser tiden for mannen ombord til alle andre observatører (lightclock-tankeeksperiment, bevist med satellittsynkronisering og plan / atomur-eksperimenter ). Også til alle andre observatører trekker skipet seg sammen. For mannen ombord føler han ingenting. Tidens gang er den samme og skipets dimensjoner er de samme. For å beskytte relativitet, ser at andre blir bremset i tide og kontraheret. Men det er han som akselererte, derfor er han opplever tidsdilatasjonen.

Og dermed innebærer tidsdilatasjon langsommere tid for mannen ombord i forhold til andre stasjonære observatører. Han føler seg normal, i forhold til ham , tiden løper «pent», men når han kommer tilbake, vil de relativistiske effektene ha gjort sin del basert på den berømte $ \ gamma ^ {- 1} = \ sqrt {1− (v / c) ^ 2} $. Dettehar ennå ikke blitt bevist direkte, men det er utledet fra forskjellige eksperimenter gjort av fly og atomur og også behovet for å synkronisere satellitter etter en stund på grunn av gravitasjonsforskjellen. Hvorfor? Tiden går saktere, forfallet er avhengig av tid, langsommere forfall.

Det siste og viktigste poenget vil være at tiden går for alle på samme måte ( du kan ikke føle en forandring. Men det er relativiteten (sammenlignet med noen andre) som gjør det mulig for oss å oppdage forskjeller i tid. På samme måte som du ikke vet hvordan det føles å være en kanin, fordi du aldri har hatt en sjanse til å være en til å gjøre sammenligningen. En stump, men nøyaktig sammenligning. Akkurat som du ikke kan forestille deg en annen slags eksistens fordi du ikke kan sammenligne med et annet univers (vi har aldri vært i det). Det «er kjernen i relativitet. Alt vi vet er relativt. Det» s «hvordan» vi vet.

Men skjønnheten i det menneskelige sinnet og triumfen for all vitenskap ligger i det faktum at vi kan tenke på dette, våre egne begrensninger, våre måter å tenke på. Og ved å gjøre det, finner vi en måte å overvinne dem på eller få mest mulig ut av dem.

Kommentarer

• dette er fantastisk og hjelper sterkt. Jeg har et spørsmål til. Jeg forestiller meg at jeg ber deg om å passe mange års studier i 500 tegn, men hva gjør forfallet til den reisende mannen tregere? Det er her hangupet mitt er akkurat nå. Er det bare en av de tingene jeg burde godta at jeg aldri vil forstå, eller er det et enkelt svar?
• Jeg ‘ har skrevet et tillegg i et forsøk å forklare, håper det hjelper.
• Ikke noe problem, nyt fysikken!
• Jeg er ikke sikker på at Einstein skjønt lysets hastighet var 299792458 m / s, da den verdien dukket opp kan være flere tiår senere .
• Dette er moderne fakta, på Einsteins tid ble den målt til rundt $ 186350 $ miles per sekund, litt over i dag ‘ s nøyaktige måling. I dag gir ‘ gjentakelser av MichelsonMorley-eksperimentet en million ganger mer presise resultater. Det som var viktig for Einstein, er det faktum at alle bevis pekte mot lysets bestandighet. Den spesifikke verdien er ikke ‘ t enda viktig, du kan uttrykke hastighet i prosent av lysets hastighet for argumentets skyld, og det vil fortsatt fungere. Men ja, det ‘ er ikke helt historisk nøyaktig, det vil ta en bok å skrive det ut.

Du er «forståelse av tid» er helt ok. Det du mangler er forholdet mellom rom og tid. Hvis du (en observatør) sitter (flyr) der og ser bare på klokkene dine – da vil du aldri merke noen tidsutvidelse.

Relativistiske effekter dukker opp når vi har forskjellige observatører på forskjellige steder i rommet. signaler osv. Og når disse observatørene prøver å lage et sammenhengende bilde av observasjonene sine, kommer de til konklusjonen at man ikke kan utvide sin lokale «tidsforståelse» til «forståelsen av tid» for hele rommet.

Rom og tid viser seg å være veldig sterkt sammenvevd, så vi foretrekker vanligvis å bruke begrepet romtid .

Så her er avtalen. «Tiden er relativ» betyr mange forskjellige ting for mange forskjellige mennesker. For å gjøre et solid skritt fremover, Einstein og selskapet trengte i utgangspunktet å avklare hva de prøvde å si.

Det de prøvde å si ser ut slik: «Hvis du ser et tog som går forbi deg, vil du se ting skje litt «rask bevegelse» når den er på avstand som kommer mot deg, og i litt «sakte bevegelse» når den er på avstand som beveger seg bort fra deg. Dette er ingen overraskelse; når du hører toget blåse hornet, høres det høyere ut -pitched når den nærmer seg og lavere tonehøyde når den går. MEN når du vellykket korrigerer for denne «dopplereffekten», når togets hastighet kommer nærmere lysets hastighet, vil du oppdage at faktisk , i koordinatene dine, tr ain og ting som skjer inne i det ser ut til å skje i jevn «slow motion», redusert med faktoren $ 1 / \ sqrt {1 – v ^ 2 / c ^ 2} $. «

Som du kan forestill deg, denne effekten er litt vanskelig å observere! Det kommer virkelig fra å «legge sammen» mange små effekter som skjedde da toget akselererte til denne enorme hastigheten.

Den mest åpenbare lille effekten er at når du akselererer i $ x $ -retningen, endres hastigheten din med et lite beløp $ \ delta v $, din følelse av romkoordinater endres til $ x \ rightarrow x «= x – t ~ \ delta v $. Det vil si en vegg som du pleide å tro var en konstant» 5 føtter unna «(i x-retningen) begynner nå å være» 5 meter unna «, men etter litt tid kan det være» 4 meter unna «, deretter» 3 meter unna «, deretter» 2 meter unna «, og så videre. Dette er veldig åpenbart og var kjent for Galileo og Newton.

Men det er også en subtil effekt om tiden. Anta at du har klokker på to vegger, en er $ x = + 5 $ fot unna, og en er $ x = -5 $ fot unna. Denne effekten sier at de går ut av synkronisering litt, $ t \ rightarrow t «= t – x ~ \ delta v / c ^ 2 $. $ C ^ 2 $ er et stort antall som historisk gjorde denne akselerasjonsegenskapen totalt ignorert. Men vi kan ikke ignorere det så mye i disse dager, ikke med høyhastighetspartikler som vi må beregne.

Nå viser det seg at du må bryte bortsett fra hva som skjer i små tidsintervaller når du akselererer, men hvis du legger til denne lille endringen, mange ganger, så står det både at ting som skjer i toget ditt ser ut til å være i sakte film i forhold til mennesker utenfor tog, men også at ting som skjer utenfor toget ser ut til å være i sakte film i forhold til det som skjer i toget. Så det er fordi tiden har denne lille «vi begynner å være uenige om samtidigheten av eksterne hendelser», til slutt bygger vi opp et større «vi begynner å være uenige om hvor store ting er og hvor raskt klokkene deres tikker» avvik. Og den store delen om det er: dere er begge korrekte. Begge har helt gyldige koordinater som perfekt beskriver verden.

Faktisk, mange samtidige i Einstein trodde at den nyere «elektrodynamikk» vitenskapen som antydet at disse tingene var grunnleggende ødelagte. Før Einstein visste folk om disse problemene på grunn av en fyr som heter Lorentz, men hadde ikke en tendens til å ta arbeidet sitt for alvor. Einsteins papir fra 1905 sa effektivt: «vi må ta ham på alvor.»

En grunn til at vi nå kan sette pris på, er: vi vet nå at matematikken er helt selvkonsistent. Ingen er noen gang uenig i rekkefølgen av hendelser og ingen kan bruke disse rare «de-synkroniserende klokke» -effektene til å reise i tide, med mindre de på en eller annen måte finner en måte å bevege seg raskere enn lysets hastighet. Det er en annen grunn til at vi tror at ingen kan bevege seg raskere enn lysets hastighet, noe som har å gjøre med nøkkelfakta om disse de-synkroniseringsklockene: De koordinerer sammen med endringen i dine romlige koordinater for å sikre at når du slutter å akselerere, tror du fortsatt at lyset beveger alle retninger med konstant hastighet $ c $, selv i de nye $ (x «, t») $ -koordinatene. Dette betyr at hvis du utfordrer noen til å kjøre en lysstråle, og de begynner å bevege seg i hastighet $ c / 2 $ i forhold til deg, beveger lyset seg ikke $ c / 2 $ fra dem i deres koordinater, men med hastighet $ c $ unna dem. Så der «Et ekte Zeno-paradoks her som garanterer at ingen noen gang kan løpe ut av lyset.

Det mest åpenbare paradokset som viser seg å ikke være en stor sak er,» hvis jeg tror at menneskene i toget beveger seg sakte og de ser meg i sakte film, kan jeg ikke bare ringe en av dem opp og vi vil se hvem som er raskere og hvem som er tregere på telefonsamtalen ?. Og svaret på det er, ja, hvis en telefon kunne overføre informasjon øyeblikkelig, ville naturen måtte etablere en av disse menneskene som riktige og en av dem som feil.Men selvfølgelig er ekte telefoner også nødt til å overføre energi ikke raskere enn lysets hastighet – og dette gir den presise tvetydigheten at du trenger for å sikre at begge er helt riktige og ingen av dem man kan kreve overlegenhet over den andre.

Så det som vi mener med «tiden er relativ»: noen på gaten, etter å ha korrigert for dopplereffekter, tror fortsatt at folk i toget beveger seg » i sakte film «og altså eldre langsommere enn mennesker på bakken. Folk i toget ser selvsagt seg helt fint, men etter å ha korrigert for dopplereffekter, tror de at folk på bakken beveger seg» i sakte film «og dermed eldes langsommere enn folk på toget. Begge gruppene har gyldige koordinater, og vi kan ikke velge mellom dem. Når du finner et eksperiment som faktisk ser ut til å teste det, som «Vel, vi stopper toget og går ut og sjekker alderen deres,» koordinerer de skift balanserer alltid alt ut slik at det ikke er noe paradoks: vanligvis personen som akselererer blir «feil», så hvis vi får fart på å hoppe på toget, ser vi menneskene på toget bevege seg i rask bevegelse til de ser ut til å være eldre enn oss, og det viser seg at «toget var Ikke sant»; men når toget bremser for å kontrollere aldrene til menneskene på bakken, beveger alle disse menneskene seg i rask bevegelse til de ser ut til å være eldre enn menneskene på toget, derav «bakken var riktig.» Ingen av dem var egentlig helt riktig, men det er en jevn matematikk der eksterne klokker som virket synkroniserte plutselig blir litt usynkroniserte, og forårsaker systematisk uenighet om hvor raskt klokker tikker generelt.

Jeg vil gjerne legge til noen få ord til Domagoj Pandžas utmerkede svar . Han kommer med denne uttalelsen:

«…. Intuisjon og persepsjon (eller mangelen på det) kan være et stort problem når du prøver å forstå implikasjonene av spesiell / generell relativitet … «

Jeg synes Domagojs svar er utmerket, men jeg er litt uenig i denne påstanden . Faktisk overlever nesten alle våre intuisjoner om tid spesiell relativitet: det er for meg det mest bemerkelsesverdige av alt. Det relativiteten lærer oss er at det er mer enn en gyldig ekstrapolasjon fra våre daglige fysiske intuisjoner som er konsistent med dem: vår intuisjon er lyd, det er ganske enkelt at den første gjetningen av en ekstrapolering fra den, nemlig den galileiske relativiteten med sin vektortilsetning av relative hastigheter mellom treghetsrammer, ikke er korrekt. Dette er den unike relativiteten som kan følge av Galileos relativitetsprinsipp – at intet eksperiment fra en treghetsramme kan oppdage rammens bevegelse fra observasjoner i rammen alene – hvis antar vi at alle observatører måler det samme tidsintervallet mellom to hendelser i romtiden. Men Occams barberhøvel mislykkes noen ganger, og hvis vi går videre til det neste enkleste alternativet og slapper av antagelsen om absolutt tid, så er det faktisk andre mulige relativiteter som alle er i samsvar med Galileos og Copernicus grunnleggende prinsipper: disse er Lorentz-transformasjoner og parameteren $ c $ bestemmer ganske enkelt hvilken av denne familien av reltiviteter som gjelder for vårt univers.

Men relativ tid: er det sikkert mot alle våre intuisjoner? La meg prøve å overbevise deg om noe annet.

Selv om den relative tiden som Domagoj Pandža diskuterer, viser at samtidigheten er relativ, og at forskjellige observatører vil måle forskjellige tider mellom to hendelser, er ikke desto mindre Lorentz-transformasjonen som definerer disse relativitetene veldig spesiell transformasjon, slik at det meste av tiden viktige intuitive rent fysiske egenskaper er helt uendret, helt så . Hva er disse grunnleggende intuisjonene? For meg er de (1) rytme og frekvenser av naturlige prosesser rundt oss i forhold til hverandre og (2) kausalitet: ie effekten av eventuelle årsaksmidler vi ser rundt oss ser alltid ut til å komme etter årsakene i vårt univers.

Spesiell relativitet endrer ingen av disse tingene selv om tidens numeriske verdi er relativ. Så spesiell er Lorentz-transformasjonen.

Så hvis solsystemet tilfeldigvis beveger seg gjennom rommet med en hastighet i forhold til en annen himmellegeme i hastigheter som nærmer seg lysets hastighet, har dette ingen effekt på den relative fremdriften av fysiske prosesser som skjer rundt oss. Kroppene våre opplever døgnrytme og ting skjer med kroppene våre – vi vokser fra barn, går inn i puberteten, vokser til voksne og blir eksor gammelt og dør: i hastigheter som har visse, repeterbare forhold til Solens tilsynelatende døgnbevegelse, det samme gjør viktige naturlige hendelser som årstider. Så tidsforholdene mellom oss og de fysiske prosessene rundt oss er alle de samme.Så tiden «føles» som om den overføres normalt til oss når vi refererer til ting i verden som alle fremdeles er relative til oss eller beveger seg veldig sakte. Dette er i utgangspunktet Galileos prinsipp. All denne «normaliteten» hersker, selv om vårt vær i det fjerne himmellegemet vil observere våre fysiske prosesser: aldring av biologiske vesener, forfall av metastabile partikler og så videre å skje veldig sakte i forhold til deres lokale fysiske prosesser på grunn av vår langsommere relative tid i forhold til deres. Og hvis vi bygger avanserte teleskoper, vil vi faktisk observere deres fysiske prosesser beveger seg sakte i forhold til vår også!

Dette høres rart ut, men her er clincher. Fordi Lorentz-transformasjonen er slik at ingen årsak-virkning-forhold kan spre seg raskere enn $ c $, kan vi ikke umiddelbart sammenligne notater om hva som skjer i våre lokale rammer. Forsinkelsen i enhver signalering mellom de to rammene forhindrer enhver motsetning som oppstår fra den gjensidige tidssakking av hver ramme i forhold til den andre. Dette er fordi Lorentz-transformasjonen gir oss noe til og med utover Galileos prinsipp: for selv om vi skal være uenige med vår fjerntliggende, relativt bevegende observatør om til og med rekkefølgen der ting vi observerer hverandres rammer skje, skal vi aldri være uenige om rekkefølgen av årsaksrelaterte hendelser . Årsaker aldri kommer etter effekter i hvilken som helst treghetsramme vi observerer, uansett hvordan den kan bevege seg i forhold til oss. Vår fysiske intuisjon av kausalitet respekteres vakkert av spesiell og generell relativitet. Topologien på nettet av årsakssammenhenger mellom fysiske hendelser i romtiden er helt uendret selv om nettet kan strekkes og klemmes litt når vi ser på det fra forskjellige treghetsrammer. Den mest grunnleggende intuisjonen av alle – kausalitet – overlever.

Så i sammendrag, våre fysiske forestillinger om tid: hvor raskt kroppene våre endrer seg, dag og natt og årstidene ikke endres og noe årsakssammenheng vi kan observere er uendret av relativitet. Vi ser bare små forskjeller når vi begynner å tildele numeriske verdier til hastighetene til disse prosessene, og vi måler dem med klokker som bare den høyeste teknologien kan gi oss. Ikke desto mindre holder alle årsaksforhold seg uansett hvor alvorlige spesielle relativistiske effekter blir.

Jeg sier mer om alle disse tingene i papiret mitt, som jeg håper skal publiseres snart: Jeg har sendt det til European Journal of Physics. Et fortrykk av det er her:

Rod Vance, «Of Groups, Galileo and Whats So Special About the Speed of Light»

Jeg gir også et sammendrag i mitt nylige svar på Physics SE-spørsmålet «Hvis all bevegelse er relativ, hvordan har lys en endelig hastighet?»

De relativistiske effektene er reelle og har blitt bekreftet eksperimentelt. Universet adlyder faktisk generell relativitet som akkurat ligner spesiell relativitet i fravær av et gravitasjonsfelt og ligner veldig på det i jordens gravitasjonsfelt. I henhold til spesiell relativitet har alle objekter sine indre klokker avtar med en faktor på 1 / sqrt (v ^ 2 – c ^ 2) og trekker seg sammen med en faktor på 1 / sqrt (1 – v ^ 2 / c ^ 2 ) i retning av bevegelse. Teorien om spesiell relativitetsteori forutsier faktisk at det ikke er noen måte å oppdage absolutt bevegelse. Mitt svar her viser hvordan det kan være til tross for tidsdilatasjon. til generell relativitet, stasjonære klokker tikker raskere når de «er høyere og endringshastigheten for ln (tidssammentrekning) med høyden er g / c ^ 2 hvor g er gravitasjonsfeltstyrken.

Hvis du tenker på det, eksisterer / flyter ikke tiden som vi vet – det er våre mentale manifestasjoner av verden rundt oss vi tenker på som tid. Det vi ser, er for eksempel ikke der slik vi ser på det. Objektet sender oss lysbølger (bare en liten del mulig av hva objektet egentlig er), øynene våre må da dekode lysbølgene, og hjernen vår må avkode det neuronale signalet fra øynene våre. Derfor er det mange nivåer av filtrering som fortsetter når vi prøver å forstå universet.

Denne filtreringen gjør det vanskelig å forstå tidens gang. Tiden går faktisk ikke. Tiden eksisterer ikke, og den flyter eller går definitivt ikke. Hva tiden er – er bare endringen av partikler i forhold til andre partikler. Hjernen vår forstår det skiftende miljøet ved passering av tid som får ting til å endre seg, men egentlig gjør den hastigheten som ting endrer seg i forhold til andre ting hjernen vår bevisst om tid.

For det formål må vi tenke på partiklene – når det er mye partikler tetter sammen i et trangt rom de bremser ned fordi de ikke kan bevege seg hvor som helst og andre krefter hindrer dem i å endre form så raskt som de ellers ville gjort.Derfor beveger en masse tung gjenstand seg langsommere i forhold til andre objekter fordi partiklene ikke endrer seg så raskt i forhold til partikler utenfor objektet. Dette er egentlig det Einstein sa: objekter med stor masse beveger seg langsommere enn objekter med mindre masse. Einstein forsto også at energien som brukes ved å få partikler til å endre form, også kan konverteres til energi som får partikler til å bevege seg (E = MC ² ). Derfor bruker en partikkel som beveger seg mer energi enn en annen partikkel med lik masse ved stillestående og dermed beveger seg også raskere gjennom tiden. Derfor vil massene som er like mellom to objekter, den ene som beveger seg raskere, bevege seg raskere gjennom tiden til det andre objektet.

Kommentarer

• Dette er for det meste (selvmotsigende) tull og fullstendig misforståelser av en kjent formel.
• Jeg er ikke sikker på hvordan den er selvmotsigende
• For en hevder du » Tiden går ikke ‘ t eksisterer » og » Tid er endring av partikler i forhold til andre partikler » på forskjellige punkter (hvordan kan noe ikke eksistere, men være noe samtidig).
• I en forstand ‘ er riktig at tiden ikke er ekte fordi samtidighet er relativ. Tidens pil på makroskopisk nivå er reell. Hele tiden observerer vi hendelser som ville ha vært så usannsynlige å gå bakover, uansett om vi eksisterte for å gi mening om tiden.
• Jeg er enig i at: » tiden er – er bare endringen av partikler i forhold til andre partikler «. Tid er bare den relative frekvensen av hendelser. Det eksisterer ikke. Tenk deg en stein som ruller nedover en bakke … tiden får ikke fjellet til å rulle, tyngdekraften gjør det. Vi tror at tiden eksisterer fordi frekvensen av nevrale hendelser som utgjør vår bevisste opplevelse, ser ut til å være konsistent og gir en illusjon av tid. Jeg lurer på hvorfor ingen ser ut til å forstå dette, det virker åpenbart. Jeg tror det er fordi folk ikke ser universet som kan reduseres til molekylære hendelser som også styres av årsak og virkning. Fikk ‘ ikke siste avsnitt