Como o tempo pode ser relativo?

Intuição e percepção ( ou a falta dela pode ser um grande problema quando você está tentando compreender as implicações da relatividade geral / especial. Você deve entender que na vida cotidiana, o que alimenta nossa intuição é muito lento. A maioria das pessoas não se move mais rápido do que $ 900 km / h $ ou $ 250 m / s $. E isso é um luxo para a maioria, viajar em um jato rápido.

A velocidade da luz é de US $ 299 792 458 m / s $. Isso é um milhão de vezes mais rápido do que qualquer coisa que temos hoje. Apenas porque o tempo parece ser relativamente absoluto (trocadilho intencional) do nosso ponto de vista, porque nosso estágio é bastante pequeno, o tempo que a luz leva para se propagar de um ponto a outro é tão pequeno, isso não significa que o tempo seja realmente invariável.

A parte interessante é que enquanto Michelson & Morley estava trabalhando em seu incrível interferômetro para medir a velocidade da Terra em relação ao “éter mágico”, um homem pelo nome de Hendrik Antoon Lorentz fez uma descoberta fascinante sobre a natureza das coisas, especialmente a natureza dos elétrons. As partes de direção do movimento do interferômetro se contraíam à medida que se moviam e, assim, impediam que qualquer movimento relativo ou interferência fosse detectado. As duas luzes sinais sempre vieram ao mesmo tempo por causa da contração do comprimento na direção de movimento.

Michelson não podia aceitar isso. Isso ia contra o trabalho de sua vida. Lorentz fez a base matemática como explicação para o problema, mas pouco fez para analisar o resultado. Einstein chegou às mesmas equações ao seguir uma linha de pensamento diferente, desta vez envolvendo a natureza da A relatividade de Galilei-Newton (que o perturbava), o problema da luz e todas as evidências que apontavam que a propagação no espaço-tempo é restringida por um limite de velocidade. $ 299792458 m / s $.

Então, Einstein “considerou o osso “que a natureza o estava jogando. A velocidade da luz é constante para TODOS observadores. Não importa se eles estão sentados, caindo, correndo, voando, dormindo. Um sinal de luz é exatamente $ c $ em todos os momentos. Não importa o quão rápido você esteja se movendo em relação aos outros.

Se isso for verdade, então algo mais deve se dobrar. O espaço e o tempo se entrelaçam para acomodar a natureza de nossa existência, para permitir que a luz viaje a $ c $ para todos os observadores. Destes postulados simples, que incluem a incapacidade de diferenciar quadros de referência intericiais, vem a morte da simultaneidade e do tempo absoluto.

Uma prova simples envolve um relógio de luz móvel que passa exatamente tempo $ t $ em sua viagem de cima para baixo. Quando ele começa a se mover com alguém, um segundo observador – você no solo perceberá que seu caminho se alonga em relação a você. Portanto, o tempo que leva para subir e descer aumenta para $ t_1 $.O tempo todo, o homem na plataforma móvel vê a luz perfeitamente sincronizada, para cima e para baixo, porque ele está se movendo com ela. Portanto, para ele, você é aquele que está desacelerando no tempo (o $ t_1 $ ).

Isso é relatividade especial, mas quem realmente experimenta uma decadência mais lenta ou os efeitos relativísticos é o homem que está acelerando. Então, sim, o tempo é relativo para proteger a constância da velocidade da luz .

Espero que ajude. E dê um tempo. Já foi provado várias vezes, e muitos trabalhos científicos atuais dependem dos efeitos relativísticos da dilatação do tempo.

ADENDO:

É exatamente a repercussão disso. A decadência é a passagem do tempo. Os processos biológicos são os mesmos, mas se ele está se movendo muito rápido (e digamos uniformalmente), para todos os outros observadores o tempo diminui para o homem a bordo (experimento de pensamento lightclock, comprovado com sincronização de satélite e experimentos de relógio plano / atômico ). Além disso, para todos os outros observadores, o navio se contrai. Para o homem a bordo, ele não sente nada. A passagem do tempo é a mesma e as dimensões do navio são as mesmas. Para proteger a relatividade, ele vê que outros são retardados no tempo e contraídos. Mas é ele quem acelerou, portanto, ele é experimentando a dilatação do tempo.

E, portanto, a dilatação do tempo implica uma passagem mais lenta do tempo para o homem a bordo em relação a outros observadores estacionários. Ele se sente normal, em relação a ele , o tempo corre “bem”, mas quando ele volta, os efeitos relativísticos terão feito sua parte com base no famoso $ \ gamma ^ {- 1} = \ sqrt {1− (v / c) ^ 2} $.ainda não foi provado diretamente, mas é inferido de vários experimentos feitos por aviões e relógios atômicos e também a necessidade de sincronizar satélites depois de um tempo por causa do diferencial gravitacional. Porque? O tempo passa mais devagar, a decadência depende do tempo, a decadência mais lenta.

O ponto final e mais importante seria que o tempo passa para todos da mesma maneira ( você não pode sentir uma mudança). Mas é a relatividade (em comparação com outra pessoa) que nos permite detectar as diferenças de passagem no tempo. Assim como você não pode saber como é ser um coelho, porque você nunca teve uma chance de ser um para fazer a comparação. Uma comparação direta, mas precisa. Assim como você não pode imaginar um tipo diferente de existência porque você não pode se comparar a um outro Universo (nunca estivemos nele). Essa é a essência da relatividade. Tudo o que sabemos é relativo. É assim que sabemos.

Mas a beleza da mente humana e o triunfo de toda ciência está no fato de podermos contemplar isso, nossas próprias limitações, nossas formas de pensar. E ao fazer isso, encontramos uma maneira de superá-los ou de aproveitá-los ao máximo.

Comentários

• isso é fantástico e ajuda muito. Eu tenho mais uma pergunta. Imagino que estou pedindo a você que encaixe anos de estudo em 500 caracteres, mas o que torna mais lenta a decadência do viajante? É aí que meu desligamento está agora. É apenas uma daquelas coisas que devo aceitar e que nunca entenderei, ou há uma resposta simples?
• Eu ‘ escrevi um adendo em uma tentativa para explicar, espero que ajude.
• Sem problemas, aproveite a física!
• Não tenho certeza Einstein, embora a velocidade da luz fosse 299792458 m / s, como esse valor apareceu décadas depois .
• Esses são fatos modernos, no tempo de Einstein, era medido em torno de $ 186350 $ milhas por segundo, um pouco acima da medição precisa de hoje ‘. Hoje, as ‘ iterações do experimento MichelsonMorley fornecem resultados um milhão de vezes mais precisos. O importante para Einstein é o fato de todas as evidências apontarem para a constância da luz. O valor específico não é ‘ t mesmo importante, você poderia expressar a velocidade como uma porcentagem da velocidade da luz para fins de argumentação e ainda funcionaria. Mas sim, ‘ não é totalmente historicamente preciso, seria necessário um livro para escrever isso.

Você “está” entendendo o tempo “é perfeitamente normal. O que está faltando é a relação entre o espaço e o tempo. Se você (um observador) estão sentados (voando) lá, olhando apenas para seus relógios – então você nunca notará qualquer dilatação do tempo.

Os efeitos relativísticos aparecem quando temos diferentes observadores em diferentes pontos do espaço. Movendo-se, observando, enviando sinais, etc. E quando esses observadores tentam fazer uma imagem coerente de suas observações, eles chegam à conclusão de que não se pode estender sua “compreensão do tempo” local à “compreensão do tempo” para todo o espaço.

Na verdade, o espaço e o tempo revelam-se fortemente interligados, por isso geralmente preferimos usar o termo espaço-tempo .

Então, este é o negócio. “O tempo é relativo” significa muitas coisas diferentes para muitas pessoas diferentes. Para dar um passo sólido em frente, Einstein e a empresa basicamente precisava esclarecer o que eles estavam tentando dizer.

O que eles estavam tentando dizer era algo assim: “se você vir um trem passando por você, verá as coisas acontecerem em breve “movimento rápido” quando está à distância vindo em sua direção e ligeiramente em “câmera lenta” quando está distante se afastando de você. Isso não é surpresa; quando você ouve a buzina do trem, soa mais alto -passado à medida que se aproxima e mais baixo à medida que sai. MAS, quando você corrigir com sucesso para este “efeito Doppler”, conforme a velocidade do trem se aproxima da velocidade da luz, você descobrirá que na verdade , em suas coordenadas, o tr ain e as coisas que acontecem dentro dele parecem acontecer uniformemente em “câmera lenta”, desacelerado pelo fator $ 1 / \ sqrt {1 – v ^ 2 / c ^ 2} $. “

Como você pode imagine, esse efeito é um pouco difícil de observar! Realmente vem da “adição” de muitos pequenos efeitos que aconteceram quando o trem acelerou a essa velocidade enorme.

O pequeno efeito mais óbvio é que quando você acelera na direção $ x $, mudando sua velocidade por uma pequena quantidade $ \ delta v $, seu senso de coordenadas de espaço muda para $ x \ rightarrow x “= x – t ~ \ delta v $. Ou seja, uma parede que você costumava pensar que era uma constante” 5 pés de distância “(na direção x) agora começará a ser” 5 pés de distância “, mas depois de um pouco pode estar” 4 pés de distância “, depois” 3 pés de distância “, então” 2 pés de distância “, e assim por diante. Isso é muito óbvio e era conhecido por Galileu e Newton.

Mas também há um efeito sutil em relação ao tempo. Suponha que você tenha relógios em duas paredes, um está $ x = + 5 $ pés de distância e outro está $ x = -5 $ pés de distância. Este efeito diz que eles ficam fora de sincronia um pouco, $ t \ rightarrow t “= t – x ~ \ delta v / c ^ 2 $. O $ c ^ 2 $ é um número enorme que historicamente tornou esta propriedade de aceleração totalmente ignorável. Mas não podemos ignorá-la tanto hoje em dia, não com partículas de alta velocidade que temos que calcular.

Agora, descobrimos que você tem que quebrar além do que está acontecendo em pequenos intervalos de tempo quando você está acelerando, mas se você adicionar essa pequena mudança, muitas vezes, então diz que as coisas que acontecem em seu trem parecem estar em câmera lenta em relação às pessoas fora do trem, mas também aquelas coisas que acontecem fora do trem parecem estar em câmera lenta em relação ao que está acontecendo no trem. Então é porque o tempo tem essa pequena propriedade “começamos a discordar sobre a simultaneidade de eventos remotos”, que acabamos criando uma discrepância maior “começamos a discordar sobre o quão grandes as coisas são e quão rápido seus relógios estão correndo”. E a melhor parte é: vocês dois estão corretos. Ambos têm coordenadas perfeitamente válidas que descrevem perfeitamente o mundo.

Na verdade, muitos contemporâneos de Einstein pensaram que a nova ciência da “eletrodinâmica” que estava sugerindo que essas coisas estavam fundamentalmente quebradas. Antes de Einstein, as pessoas sabiam desses problemas por causa de um cara chamado Lorentz, mas não tendiam a levar seu trabalho muito a sério. O artigo de Einstein de 1905 dizia, efetivamente, “temos que levá-lo a sério”.

Uma razão que agora podemos avaliar é: agora sabemos que a matemática é totalmente autoconsistente. Ninguém nunca discorda sobre a ordem dos eventos e ninguém pode usar esses estranhos efeitos de “relógio de dessincronização” para viajar no tempo, a menos que de alguma forma encontrem uma maneira de se mover mais rápido do que a velocidade da luz. Há outra razão pela qual pensamos que ninguém pode movem-se mais rápido do que a velocidade da luz, o que tem a ver com o fato fundamental sobre esses relógios dessincronizados: eles se coordenam junto com a mudança em suas coordenadas espaciais para garantir que, uma vez que você pare de acelerar, ainda pense que a luz move-se em todas as direções a uma velocidade constante $ c $, mesmo em suas novas coordenadas $ (x “, t”) $. Isso significa que se você desafiar alguém a correr contra um feixe de luz e ele começar a se mover na velocidade $ c / 2 $ em relação a você, a luz não está se movendo a $ c / 2 $ para longe deles em suas coordenadas, mas a uma velocidade de $ c $ para longe deles. “um verdadeiro paradoxo de Zenão garantindo que ninguém jamais poderá ultrapassar a luz.

O paradoxo mais óbvio que acaba não sendo grande coisa é” se eu acho que as pessoas no trem estão se movendo devagar movimento, e eles me vêem em câmera lenta, não posso simplesmente ligar para um deles e veremos quem é mais rápido e quem é mais lento na ligação ?. E a resposta é, sim, se um telefone pudesse transmitir informações instantaneamente, a natureza teria que estabelecer uma dessas pessoas como correta e outra como incorreta.Mas, é claro, os telefones reais também são obrigados a transmitir energia não mais rápido do que a velocidade da luz – e isso dá a ambigüidade precisa que você precisa para se certificar de que ambos estão perfeitamente corretos e nenhum um pode reivindicar a supremacia sobre o outro.

Então é isso que queremos dizer com “o tempo é relativo”: alguém na rua, depois de corrigir os efeitos Doppler, ainda pensa que as pessoas no trem estão se movendo ” em câmera lenta “e, portanto, envelhecendo mais devagar do que as pessoas no chão. As pessoas no trem, é claro, se veem muito bem, mas depois de corrigir os efeitos Doppler pensam que as pessoas no solo estão se movendo” em câmera lenta “e, portanto, envelhecem mais lentamente do pessoas no trem. Ambos os grupos têm coordenadas válidas e não podemos escolher entre eles. Sempre que você encontrar um experimento que realmente pareça testá-lo, como “Bem, vamos” parar o trem, descer e verificar suas idades “, eles coordenam mudanças invariavelmente equilibram tudo para que não haja paradoxo: geralmente a pessoa que está acelerando torna-se “errada”, então se acelerarmos para pular no trem, veremos as pessoas no trem movendo-se em movimento rápido até que pareçam ser mais velhas do que nós, e acontece que o “trem era direita”; mas quando o trem diminui a velocidade para verificar a idade das pessoas no solo, todas essas pessoas se movem em movimento rápido até parecerem mais velhas do que as pessoas no trem; portanto, o “solo estava certo”. Nenhum dos dois estava absolutamente certo, mas há uma matemática consistente em que relógios remotos que pareciam sincronizados de repente ficam um pouco fora de sincronia, causando desacordos sistemáticos sobre o quão rápido os relógios estão batendo em geral.

Eu “gostaria de adicionar algumas palavras à excelente resposta de Domagoj Pandža” . Ele faz esta declaração:

“…. Intuição e percepção (ou a falta dela) podem ser um grande problema quando você está tentando para compreender as implicações da relatividade geral / especial …. “

Acho que a resposta de Domagoj é excelente, mas discordo um pouco desta afirmação . Na verdade, quase todas as nossas intuições sobre o tempo sobrevivem à relatividade especial: isso é para mim a coisa mais notável de todas. O que a relatividade nos ensina é que há mais de uma extrapolação válida de nossas intuições físicas cotidianas que é consistente com eles: nossa intuição é sólida, é simplesmente que a primeira suposição em uma extrapolação a partir dela, ou seja, a relatividade galileana com sua adição vetorial de velocidades relativas entre referenciais inerciais, não é correta. Esta é a relatividade única que pode seguir o princípio da relatividade de Galileu – que nenhum experimento de dentro de um quadro inercial pode detectar o movimento do quadro a partir de observações apenas dentro do quadro – se assumimos que todos os observadores medem o mesmo intervalo de tempo entre quaisquer dois eventos no espaço-tempo. Mas a navalha de Occam às vezes falha, e se passarmos para a próxima alternativa mais simples e relaxarmos a suposição do tempo absoluto, então existem outras relatividades possíveis que são todas consistentes com os princípios básicos de Galileu e Copérnico: estes são os As transformações de Lorentz e o parâmetro $ c $ simplesmente determinam qual desta família de reltividades se aplica ao nosso universo.

Mas o tempo relativo: certamente isso vai contra todas as nossas intuições? Deixe-me tentar convencê-lo do contrário.

Embora o tempo relativo que Domagoj Pandža discute mostre que a simultaneidade é relativa e que diferentes observadores medirão tempos diferentes entre dois eventos, no entanto, a transformação de Lorentz que define essas relatividades é um transformação muito especial, de modo que na maioria das vezes as importantes propriedades intuitivas puramente físicas permanecem totalmente inalteradas, totalmente . Quais são essas intuições básicas? Para mim, eles são (1) ritmo e taxas de processos naturais ao nosso redor em relação uns aos outros e (2) causalidade: isto é, os efeitos de quaisquer agentes causais que testemunhamos ao nosso redor sempre parecem vir depois de suas causas em nosso universo.

A relatividade especial não muda nenhuma dessas coisas , embora o valor numérico do tempo seja relativo. Isso mostra o quão especial é a transformação de Lorentz.

Então, se o sistema solar está se movendo através do espaço a uma taxa relativa a algum outro corpo celeste a velocidades próximas da velocidade da luz, então nenhum efeito sobre as taxas relativas de progresso dos processos físicos que acontecem ao nosso redor. Nossos corpos experimentam ritmos circadianos e coisas acontecem com nossos corpos – crescemos desde crianças, entramos na puberdade, crescemos em adultos e exoravelmente envelhecemos e morremos: a taxas que mantêm relações certas e repetíveis com o movimento diurno aparente de nosso Sol, assim como eventos naturais importantes como as estações. Portanto, as relações de tempo entre nós e os processos físicos à nossa volta são todas iguais.Portanto, o tempo “parece” que passa normalmente para nós quando nos referimos a coisas no mundo que ainda são relativas a nós ou se movem muito lentamente. Este é basicamente o princípio de Galileu. Toda essa “normalidade” prevalece, embora nosso estar no distante corpo celeste observe nossos processos físicos: envelhecimento de seres biológicos, decadência de partículas metaestáveis e assim por diante acontecendo muito lentamente em relação a seus processos físicos locais devido ao nosso tempo relativo mais lento em relação ao deles. E, se construirmos telescópios avançados, “vamos realmente observar seus processos físicos movendo-se lentamente em relação aos nossos também!

Isso parece estranho, mas aqui está o argumento decisivo. Como a transformação de Lorentz é tal que nenhuma relação de causa-efeito pode se propagar mais rápido do que $ c $, não podemos comparar instantaneamente as notas sobre o que está acontecendo em nossos quadros locais. O atraso em qualquer sinalização entre os dois quadros evita qualquer contradição decorrente da desaceleração mútua de cada quadro em relação ao outro. Isso ocorre porque a transformação de Lorentz nos dá algo ainda além do princípio de Galileu: pois, embora possamos discordar de nosso observador distante e relativamente comovente até mesmo sobre a ordem em que as coisas observamos os quadros uns dos outros acontecer, nós nunca devemos discordar sobre a ordem dos eventos causalmente relacionados . As causas nunca vêm depois dos efeitos em qualquer referencial inercial que observamos, não importa como ele possa estar se movendo em relação a nós. Nossa intuição física de causalidade é lindamente respeitada pela relatividade geral e especial. A topologia da teia de ligações causais entre eventos físicos no espaço-tempo é absolutamente inalterada , embora a teia possa ser esticada e comprimida um pouco quando olhamos para ela de diferentes quadros inerciais. A intuição mais básica de todas – causalidade – sobrevive.

Então, em resumo, nossas noções físicas de tempo: quão rápido nossos corpos mudam, dia e noite e as estações não mudam e qualquer relação causal que possamos observar são inalterados pela relatividade. Só vemos pequenas diferenças quando começamos a atribuir valores numéricos às taxas desses processos e os medimos com relógios que apenas a mais alta tecnologia pode nos fornecer. No entanto, todas as relações causais são verdadeiras , não importa o quão severos os efeitos relativísticos especiais se tornem.

Eu digo mais sobre todas essas coisas em meu artigo, que espero que seja publicado em breve: eu o submeti ao European Journal of Physics. Uma pré-impressão dele está aqui:

Rod Vance, “Of Groups, Galileo and What” s So Special About the Speed of Light “

Eu também forneço um resumo em minha recente resposta à pergunta de Física SE “Se todo movimento é relativo, como a luz tem uma velocidade finita?”

Os efeitos relativísticos são reais e foram confirmados experimentalmente. O universo realmente obedece à relatividade geral, que se assemelha exatamente a relatividade especial na ausência de um campo gravitacional e se assemelha muito a ela no campo gravitacional da Terra. De acordo com a relatividade especial, todos os objetos têm seus relógios internos desacelerados por um fator de 1 / sqrt (v ^ 2 – c ^ 2) e contraídos em comprimento por um fator de 1 / sqrt (1 – v ^ 2 / c ^ 2 ) na direção do movimento. Na verdade, a teoria da relatividade especial também prevê que não há como detectar o movimento absoluto. Minha resposta aqui mostra como isso pode ser, apesar da dilatação do tempo. para a relatividade geral, os relógios estacionários marcam mais rápido quando estão mais altos e a taxa de variação de ln (contração do tempo) com a altura é g / c ^ 2, onde g é a força do campo gravitacional.

Se você pensar sobre isso, o tempo como o conhecemos não existe / flui de fato – são nossas manifestações mentais do mundo ao nosso redor que pensamos como Tempo. Por exemplo, o que vemos não está realmente lá como o vemos. O objeto nos envia ondas de luz (possivelmente apenas uma pequena porção do que o objeto realmente é), nossos olhos então precisam decodificar as ondas de luz e nosso cérebro precisa decodificar o sinal neuronal de nossos olhos. Portanto, há muitos níveis de filtragem que ocorrem quando tentamos entender o universo.

Essa filtragem torna difícil entender a passagem do tempo. O tempo não passa de fato. O tempo não existe de verdade e definitivamente não flui ou passa. O que é – é apenas a mudança de partículas em relação a outras partículas. Nosso cérebro dá sentido ao ambiente em mudança pela passagem de tempo fazendo com que as coisas mudem, mas na verdade a taxa na qual as coisas mudam em relação a outras coisas está tornando nosso cérebro consciente do tempo.

Para esse fim, devemos pensar sobre as partículas – quando há muitos partículas próximas umas das outras em um espaço confinado, elas diminuem a velocidade porque não podem se mover em qualquer lugar e outras forças as impedem de mudar de forma tão rápido quanto fariam de outra forma.Portanto, um objeto de massa pesada está se movendo mais devagar em relação a outros objetos porque as partículas não estão mudando tão rápido em relação às partículas externas ao objeto. Isso é essencialmente o que Einstein estava dizendo: objetos com grande massa se movem mais devagar do que objetos com menos massa. Einstein também entendeu que em algum limiar a energia gasta para fazer as partículas mudarem de forma também pode ser convertida em energia que faz com que as partículas se movam (E = MC ² ). Portanto, uma partícula em movimento está gastando mais energia do que outra partícula de massa igual parada e, portanto, está se movendo mais rápido no tempo. Portanto, sendo as massas iguais entre dois objetos, aquele que se move mais rápido estará se movendo mais rápido no tempo para o outro objeto.

Comentários

• Isso é principalmente (contraditório) um disparate e mal-entendidos completos de uma fórmula famosa.
• Não tenho certeza de como é contraditório
• Para aquele que você afirma ” O tempo não ‘ t existe ” e ” O tempo é a mudança de partículas em relação a outras partículas ” em pontos diferentes (como algo pode não existir, mas ser algo ao mesmo tempo).
• Em certo sentido, você ‘ re corrija que o tempo não é real porque a simultanidade é relativa. A seta do tempo no nível macroscópico é real. O tempo todo, observamos eventos que seriam tão improváveis de retroceder, quer existíssemos ou não para dar sentido ao tempo.
• Concordo que: ” o tempo é – é apenas a mudança de partículas em relação a outras partículas “. O tempo é apenas a taxa relativa em que os eventos ocorrem. Isso não existe. Imagine uma rocha rolando colina abaixo … o tempo não faz o rock roll, a gravidade sim. Achamos que o tempo existe porque a taxa de eventos neurais que compõem nossa experiência consciente parece consistente, dando a ilusão de tempo. Eu me pergunto por que ninguém parece entender isso, parece óbvio. Acho que é porque as pessoas não vêem o universo como redutível a eventos moleculares que também são governados por causa e efeito. Não ‘ não obteve o último parágrafo