Hur kan tiden vara relativ?

Intuition och perception ( eller bristen på det) kan vara ett stort problem när du försöker förstå konsekvenserna av speciell / allmän relativitet. Du måste förstå att det i vardagen som driver vår intuition är ganska långsamt. De flesta människor rör sig inte snabbare än $ 900 km / h $ eller $ 250 m / s $. Och det är en lyx för de flesta att resa med en snabb stråle.

Ljusets hastighet är svindlande 299 792 458 m / s $. Det är en miljon gånger snabbare än vad vi har idag. eftersom tiden verkar vara relativt absolut (ordspel avsedd) ur vår synvinkel eftersom vår scen är ganska liten, den tid det tar lätt att sprida sig från en punkt till en annan är så liten, betyder det inte att tiden verkligen är oföränderlig.

Det intressanta är att medan Michelson & Morley arbetade med sin fantastiska interferometer för att mäta jordens hastighet i förhållande till den ”magiska etern”, en man vid namnet Hendrik Antoon Lorentz gjorde en fascinerande upptäckt om sakernas natur, särskilt elektronernas natur. Interferometerns rörelseriktningsdelar sammantryckte när de rörde sig och förhindrade därmed någon relativ rörelse eller störning att detekteras. signalerna kom alltid samtidigt på grund av längdkontraktionen i riktningen rörelse.

Michelson kunde inte acceptera detta. Det stred mot hans livsverk. Lorentz gjorde den matematiska grunden som en förklaring till problemet, men han gjorde lite för att analysera resultatet. Einstein kom till samma ekvationer genom att följa ett annat tankesätt, den här gången som involverade karaktären av Relativitet i Galilei-Newton (som oroade honom), problemet med ljus och alla bevis som pekade på att förökning genom rymdtid är begränsad av en hastighetsgräns. $ 299792458 m / s $.

Så Einstein ”tog benet ”naturen kastade honom. Ljusets hastighet är konstant för ALLA observatörer. Oavsett om de” sitter, faller, springer, flyger, sover. En ljussignal är alltid $ c $ hela tiden. Oavsett hur snabbt du rör dig i förhållande till andra.

Om det är sant måste något annat böjas. Utrymme och tid sammanflätas för att passa in i vår existens, för att låta ljuset resa till $ c $ för alla observatörer. Från dessa enkla postulat, som inkluderar oförmågan att skilja mellan intertiala referensramar, kommer död av samtidighet och absolut tid.

Ett enkelt bevis innebär en rörlig ljusklocka som passerar exakt tid $ t $ i hans uppåtgående resa. När det börjar röra sig med någon, en andra observatör – kommer du på marken att märka att dess väg sträcker sig relativt dig. Därför ökar tiden det tar att gå upp och ner till $ t_1 $.Mannen på den rörliga plattformen ser hela tiden ljuset synkroniseras, upp och ner, eftersom han rör sig med det. Därför är du den som saktar ner i tiden ($ t_1 $ ).

Det är en speciell relativitet, men den som verkligen upplever långsammare förfall eller de relativistiska effekterna är mannen som accelererar. Så, ja, tiden är relativ för att skydda ljusets hastighet .

Hoppas att det hjälper. Och ge det tid. Det har bevisats många gånger och mycket vetenskapligt arbete idag bygger på relativistiska effekter av tidsutvidgning.

TILLÄGG:

Det är exakt återverkan på detta. Förfall är tidens gång. De biologiska processerna är desamma, men om han rör sig väldigt snabbt (och låt oss säga enhetligt), för varje annan observatör fördröjs tiden för mannen ombord (lightclock-tankeexperiment, bevisat med satellitsynkronisering och plan / atomklockaxperiment ). Till varje annan observatör samlar fartyget sig. För mannen ombord känner han ingenting. Tidens gång är densamma och fartygets dimensioner är desamma. För att skydda relativitet, ser att andra saktar ner i tid och kontraheras. Men det är han som accelererade, därför är han upplever tidsutvidgningen.

Och därmed innebär tidsutvidgningen långsammare tidsförlopp för mannen ombord i förhållande till andra stationära observatörer. Han känner sig normal, relativt honom , tiden går ”snyggt”, men när han kommer tillbaka kommer de relativistiska effekterna att ha gjort sin del baserat på den berömda $ \ gamma ^ {- 1} = \ sqrt {1− (v / c) ^ 2} $.har ännu inte bevisats direkt, men det framgår av olika experiment som gjorts av plan och atomur och också behovet av att synkronisera satelliter efter ett tag på grund av gravitationsdifferensen. Varför? Tiden går långsammare, förfall är beroende av tid, långsammare förfall.

Den sista och viktigaste punkten skulle vara att tiden går för alla på samma sätt ( du kan inte känna en förändring. Men det är relativiteten (jämfört med någon annan) som gör det möjligt för oss att upptäcka skillnader i tidspassage. Precis som du inte kan veta hur det känns att vara en kanin, för du har aldrig haft en chans att vara en som gör jämförelsen. En trubbig, men exakt jämförelse. Precis som att du inte kan föreställa dig en annan typ av existens eftersom du inte kan jämföra med ett annat universum (vi har aldrig varit i det). Det är relativiteten. Allt vi vet är relativt. Det är hur vi vet.

Men skönheten i det mänskliga sinnet och all vetenskapens triumf ligger i det faktum att vi kan överväga detta, våra egna begränsningar, våra tankesätt. Och genom att göra det hittar vi ett sätt att övervinna dem eller få ut det mesta av dem.

Kommentarer

• detta är fantastiskt och hjälper mycket. Jag har en fråga till. Jag antar att jag ber dig att passa år av studier i 500 tecken, men vad gör den resande människans förfall långsammare? Det är där mitt tillfälle är just nu. Är det bara en av de saker jag borde acceptera som jag aldrig kommer att förstå, eller finns det ett enkelt svar?
• Jag ’ har skrivit ett tillägg i ett försök för att förklara, hoppas det hjälper.
• Inga problem, njut av fysik!
• Jag är inte säker på Einstein men ljusets hastighet var 299792458 m / s, eftersom det värdet uppträdde kan decennier senare .
• Det här är moderna fakta, under Einsteins tid mättes det till cirka 186350 $ mil per sekund, lite över idag ’ exakt mätning. Idag ’ upprepningar av MichelsonMorley-experimentet ger en miljon gånger mer exakta resultat. Vad som var viktigt för Einstein är det faktum att alla bevis pekade mot ljusets beständighet. Det specifika värdet är inte ’ inte ens viktigt, du kan uttrycka hastighet som en procentandel av ljusets hastighet för argumentets skull och det skulle fortfarande fungera. Men ja, det ’ är inte helt historiskt korrekt, det skulle ta en bok att skriva ut det.

Du är ”förståelse för tid” är helt okej. Det du saknar är förhållandet mellan utrymme och tid. Om du (en observatör) sitter (flyger) där och tittar bara på dina klockor – då kommer du aldrig att märka någon tidsutvidgning.

Relativistiska effekter dyker upp när vi har olika observatörer på olika platser i rymden. Rör sig, observerar, skickar signaler osv. Och när dessa observatörer försöker göra en sammanhängande bild av sina observationer kommer de fram till att man inte kan utvidga sin lokala ”tidsförståelse” till ”tidsförståelse” för hela rummet.

Faktum är att rum och tid är väldigt starkt sammanvävda, så vi brukar föredra att använda termen rymdtid .

Så här är affären. ”Tiden är relativ” betyder många olika saker för många olika människor. För att göra ett solidt steg framåt, Einstein och företaget behövde i princip förtydliga vad de försökte säga.

Vad de försökte säga ser ungefär så här ut: ”om du ser ett tåg passera dig kommer du att se saker hända på något ”snabb rörelse” när det är på ett avstånd som kommer mot dig, och i något ”långsam rörelse” när det är på ett avstånd som rör sig bort från dig. Det här är ingen överraskning; när du hör tåget blåsa sitt horn låter det högre -höjd när den närmar sig och sänker när den går. MEN när du lyckas korrigera för denna ”dopplereffekt”, när tågets hastighet närmar sig ljusets hastighet, kommer du att upptäcka att faktiskt , i dina koordinater, tr ain och saker som händer inne i det verkar hända i enhetligt ”slow motion”, saktat ner med faktorn $ 1 / \ sqrt {1 – v ^ 2 / c ^ 2} $. ”

Som du kan tänk dig, den här effekten är lite svår att observera! Det kommer verkligen från att ”lägga till” många små effekter som hände när tåget accelererade till denna enorma hastighet.

Den mest uppenbara lilla effekten är att när du accelererar i $ x $ -riktningen, ändras din hastighet med en liten summa $ \ delta v $, din känsla av rymdkoordinater ändras till $ x \ rightarrow x ”= x – t ~ \ delta v $. Det vill säga en vägg som du brukade tro att var konstant” 5 fötter bort ”(i x-riktningen) kommer nu att börja vara” 5 fot bort ”men efter lite tid kan det vara” 4 fot bort ”, sedan” 3 fot bort ”, sedan” 2 fot bort ”, och så vidare. Detta är mycket uppenbart och var känt för Galileo och Newton.

Men det finns också en subtil effekt om tiden. Antag att du har klockor på två väggar, en är $ x = + 5 $ fot bort och en är $ x = -5 $ fot bort. Denna effekt säger att de går ur synkronisering lite, $ t \ rightarrow t ”= t – x ~ \ delta v / c ^ 2 $. $ C ^ 2 $ är ett enormt antal som historiskt gjorde denna egenskap för acceleration helt okunnig. Men vi kan inte ignorera det så mycket i dessa dagar, inte med partiklar med hög hastighet som vi måste beräkna.

Nu visar det sig att du måste bryta förutom vad som händer i små tidsintervaller när du accelererar, men om du lägger till den här lilla förändringen upprepade gånger, så står det både att saker som händer i ditt tåg verkar vara i slow motion i förhållande till människor utanför tåg, men också att saker som händer utanför tåget verkar vara i slow motion i förhållande till vad som händer i tåget. Så det beror på att tiden har denna lilla ”vi börjar inte hålla med om egenskapen för fjärrhändelser” samtidigt, att så småningom bygger vi upp en större ”vi börjar vara oense om hur stora saker är och hur snabbt deras klockor tickar” avvikelse. Och den stora delen av det är: ni är båda korrekta. Båda har perfekt giltiga koordinater som perfekt beskriver världen. antydde att dessa saker i grunden var trasiga. Innan Einstein visste folk om dessa problem på grund av en kille som heter Lorentz, men hade inte en tendens att ta sitt arbete för allvarligt. Einsteins tidning från 1905 sa effektivt, ”vi måste ta honom på allvar.”

En anledning som vi nu kan uppskatta är: vi vet nu att matematiken är helt självkonsistent. Ingen håller aldrig med om händelserna och ingen kan använda dessa konstiga ”de-synkroniseringsklocka” -effekter för att resa i tid, såvida de inte på något sätt hittar ett sätt att röra sig snabbare än ljusets hastighet. Det finns en annan anledning till att vi tror att ingen kan rör sig snabbare än ljusets hastighet, vilket har att göra med nyckelfakta om dessa de-synkroniseringsklockor: de samordnar tillsammans med förändringen i dina rumskoordinater för att säkerställa att när du slutar accelerera, tror du fortfarande att ljuset flyttar varje riktning med konstant hastighet $ c $, även i dina nya $ (x ”, t”) $ -koordinater. Detta betyder att om du utmanar någon att tävla med en ljusstråle, och de börjar röra sig med hastighet $ c / 2 $ i förhållande till dig rör sig inte ljuset med $ c / 2 $ från dem i deras koordinater, utan med en hastighet på $ c $ från dem. Så där ”En riktig Zeno Paradox här som garanterar att ingen någonsin kan springa ut ljuset.

Den mest uppenbara paradoxen som visar sig inte vara en stor sak är,” om jag tror att människorna på tåget rör sig långsamt och de ser mig i slow motion, kan jag inte ringa upp en av dem och vi kommer se vem som är snabbare och vem som är långsammare i telefonsamtalet ?. Och svaret på det är, ja, om en telefon skulle kunna överföra information omedelbart, skulle naturen behöva etablera en av dessa människor som korrekta och en av dem som felaktiga.Men naturligtvis riktiga telefoner kommer också att överföra energi inte snabbare än ljusets hastighet – och detta ger den exakta tvetydigheten att du behöver för att se till att båda är helt korrekta och inte heller man kan göra anspråk på överlägsenhet över den andra.

Så att det vi menar med ”tiden är relativ”: någon på gatan, efter att ha korrigerat för Doppler-effekter, tror fortfarande att människor i tåget rör sig ” i slow motion ”och därmed åldras långsammare än människor på marken. Människor i tåget ser sig självklart bara bra, men efter korrigering för Doppler-effekter tror att människor på marken rör sig” i slow motion ”och därmed åldras långsammare än människor i tåget. Båda grupperna har giltiga koordinater, och vi kan inte välja mellan dem. Närhelst du hittar ett experiment som faktiskt verkar testa det, som ”Tja, vi stannar tåget och går ut och kontrollerar deras åldrar”, samordnar de skift balanserar alltid allt så att det inte finns någon paradox: vanligtvis personen som accelererar blir ”fel”, så om vi snabbar upp för att hoppa på tåget ser vi människorna på tåget röra sig i snabb rörelse tills de verkar vara äldre än oss, och det visar sig att ”tåget var rätt”; men när tåget saktar ner för att kontrollera åldrarna på marken, rör sig alla dessa människor i snabb rörelse tills de verkar vara äldre än folket på tåget, varför ”marken var rätt.” Inget av dem var egentligen helt rätt, men det finns en konsekvent matematik där fjärrklockor som verkade vara synkroniserade plötsligt blir lite synkroniserade, vilket orsakar systematiska meningsskiljaktigheter om hur snabbt klockor tickar i allmänhet.

Jag vill lägga till några ord till Domagoj Pandžas utmärkta svar . Han gör detta uttalande:

”…. Intuition och uppfattning (eller bristen på det) kan vara ett stort problem när du försöker för att förstå implikationerna av speciell / allmän relativitet … ”

Jag tycker att Domagojs svar är utmärkt, men jag håller lite med detta uttalande . Egentligen överlever nästan alla våra intuitioner om tiden speciell relativitet: det är för mig det mest anmärkningsvärda av allt. Vad relativitet lär oss är att det finns mer än en giltig extrapolering från våra dagliga fysiska intuitioner som överensstämmer med dem: vår intuition är sund, det är helt enkelt att den första gissningen på en extrapolering från den, nämligen den galiliska relativiteten med sin vektortillsats av relativa hastigheter mellan tröghetsramar, inte är korrekt. Detta är den unika relativiteten som kan följa av Galileos relativitetsprincip – att inget experiment inifrån en tröghetsram kan upptäcka ramens rörelse från observationer inom ramen ensam – om antar vi att alla observatörer mäter samma tidsintervall mellan två händelser under rymdtiden. Men Occams rakhyvel misslyckas ibland, och om vi går vidare till nästa enklaste alternativ och kopplar av antagandet om absolut tid, så finns det faktiskt andra möjliga relativiteter som alla överensstämmer med Galileos och Copernicus grundläggande principer: dessa är Lorentz-omvandlingar och parametern $ c $ avgör helt enkelt vilken av denna familj av reliviteter som gäller för vårt universum.

Men relativ tid: det är säkert mot alla våra intuitioner? Låt mig försöka övertyga dig om annat.

Även om den relativa tiden som Domagoj Pandža diskuterar visar att samtidigheten är relativ och att olika observatörer kommer att mäta olika tider mellan två händelser, är ändå Lorentz-transformationen som definierar dessa relativiteter en väldigt speciell omvandling, så att de flesta av tiden är viktiga intuitiva rent fysiska egenskaper helt och hållet oförändrade, helt så . Vilka är dessa grundläggande intuitioner? För mig är de (1) rytm och frekvenser av naturliga processer runt oss i förhållande till varandra och (2) kausalitet: ie effekterna av orsakssubstanser som vi bevittnar omkring oss verkar alltid komma efter deras orsaker i vårt universum.

Särskild relativitet ändrar inget av dessa saker även om tidens numeriska värde är relativt. Så speciell är Lorentz-omvandlingen.

Så om solsystemet råkar röra sig genom rymden i en takt relativt någon annan himmelkropp med hastigheter som närmar sig ljusets hastighet, så har detta ingen effekt på de relativa framstegshastigheterna för fysiska processer som händer runt omkring oss. Våra kroppar upplever dygnsrytmer och saker händer med våra kroppar – vi växer från barn, går i puberteten, växer till vuxna och blir exor gammalt och dör: i takt som har vissa, repeterbara förhållanden till vår sols uppenbara dygnsrörelse liksom viktiga naturhändelser som årstiderna. Så tidsförhållandena mellan oss och de fysiska processerna runt oss är alla desamma.Så tiden ”känns” som att den passerar normalt till oss när vi hänvisar till saker i världen som alla fortfarande är relativa till oss eller rör sig mycket långsamt. Det här är i princip Galileos princip. All denna ”normalitet” råder även om vårt varande i den avlägsna himmelkroppen kommer att iaktta våra fysiska processer: åldrande av biologiska varelser, förfall av metastabla partiklar och så vidare att ske mycket långsamt relativt deras lokala fysiska processer på grund av vår långsammare relativa tid i förhållande till deras. Och om vi bygger avancerade teleskop kommer vi faktiskt att observera deras fysiska processer rör sig långsamt i förhållande till våra!

Det här låter konstigt, men här är clincher. Eftersom Lorentz-transformationen är sådan att ingen orsak-effekt-relation kan spridas snabbare än $ c $, kan vi inte omedelbart jämföra anteckningar om vad som händer i våra lokala ramar. Fördröjningen i varje signalering mellan de två ramarna förhindrar varje motsägelse som uppstår genom att den inbördes tidsfördröjningen för varje ram i förhållande till den andra. Detta beror på att Lorentz-omvandlingen ger oss något till och med bortom Galileos princip: ty även om vi inte kommer att vara överens med vår avlägsna, relativt rörliga observatör om till och med den ordning där vi observerar varandras ramar hända, ska vi aldrig vara oense om ordningen på orsaksrelaterade händelser . Orsaker kommer aldrig efter effekter i någon tröghetsram vi observerar, oavsett hur den rör sig i förhållande till oss. Vår fysiska intuition av kausalitet respekteras vackert av speciell och allmän relativitet. Topologin på nätet av orsakssambanden mellan fysiska händelser under rymdtiden är helt oförändrad även om nätet kan sträckas och pressas lite när vi ser på det från olika tröghetsramar. Den mest grundläggande intuitionen av allt – kausalitet – överlever.

Så i sammandrag, våra fysiska uppfattningar om tid: hur snabbt våra kroppar förändras, dag och natt och årstiderna ändras inte och något orsakssamband vi kan observera är oförändrade av relativitet. Vi ser bara små skillnader när vi börjar tilldela numeriska värden till hastigheterna för dessa processer och vi mäter dem med klockor som bara den högsta tekniken kan ge oss. Ändå gäller alla kausala förhållanden oavsett hur allvarliga specialrelativistiska effekter blir.

Jag säger mer om alla dessa saker i mitt papper som jag hoppas kommer att publiceras snart: Jag har skickat det till European Journal of Physics. En förtryck av det finns här:

Rod Vance, ”Of Groups, Galileo och vad som är så speciellt med ljusets hastighet”

Jag ger också en sammanfattning i mitt senaste svar på Physics SE-frågan ”Om all rörelse är relativ, hur har ljus en ändlig hastighet?”

De relativistiska effekterna är verkliga och har bekräftats experimentellt. Universum följer faktiskt allmän relativitet som exakt liknar speciell relativitet i frånvaro av ett gravitationsfält och mycket liknar det i jordens gravitationsfält. Enligt speciell relativitet har alla objekt sina interna klockor saktat ner med en faktor 1 / sqrt (v ^ 2 – c ^ 2) och dras ihop med en faktor av 1 / sqrt (1 – v ^ 2 / c ^ 2 ) i rörelseriktningen. I själva verket förutspår teorin om special relativitet också att det inte finns något sätt att upptäcka absolut rörelse. Mitt svar här visar hur det kan vara trots tidsutvidgning. till allmän relativitet, stationära klockor tickar snabbare när de är högre och förändringshastigheten för ln (tidskontraktion) med höjd är g / c ^ 2 där g är gravitationsfältets styrka.

Om du tänker på det existerar / flyter inte tiden som vi vet – det är våra mentala manifestationer av världen omkring oss som vi tänker på som tid. Till exempel, vad vi ser finns faktiskt inte där som vi ser det. Objektet skickar oss ljusvågor (endast en liten del av vad objektet egentligen är), våra ögon måste då avkoda ljusvågorna och vår hjärna måste avkoda neuronal signal från våra ögon. Därför finns det många nivåer av filtrering som fortsätter när vi försöker förstå universum.

Den filtreringen gör det svårt att förstå tidens gång. Tiden går inte faktiskt. Tiden existerar faktiskt inte och det går definitivt inte eller går. Vad är tiden – är bara förändringen av partiklar i förhållande till andra partiklar. Vår hjärna känner av den föränderliga miljön genom passage av tid som får saker att förändras, men egentligen gör den hjärnan medveten om tiden.

För detta ändamål måste vi tänka på partiklarna – när det finns mycket partiklar nära varandra i ett trångt utrymme de saktar ner eftersom de inte kan röra sig var som helst och andra krafter hindrar dem från att ändra form så snabbt som de annars skulle göra.Därför rör sig ett massivt tungt objekt långsammare i förhållande till andra objekt eftersom partiklarna inte förändras så snabbt i förhållande till partiklar utanför objektet. Detta är i princip vad Einstein sa: objekt med stor massa rör sig långsammare än objekt med mindre massa. Einstein förstod också att vid någon tröskel kan den energi som används för att få partiklar att ändra form också omvandlas till energi som får partiklar att röra sig (E = MC ² ). Därför förbrukar en partikel som rör sig mer energi än en annan partikel med lika massa vid stillastående och därmed också rör sig snabbare genom tiden. Därför kommer massor som är lika mellan två objekt den en snabbare rör sig snabbare genom tiden till det andra objektet.

Kommentarer

• Detta är mest (självmotsägande) nonsens och fullständiga missförstånd med en berömd formel.
• Jag är inte säker på hur dess självmotsägande
• För en som du hävdar ” Tiden är inte ’ t ex ” och ” Tiden är förändringen av partiklar i förhållande till andra partiklar ” vid olika punkter (hur kan något inte existera utan vara något samtidigt).
• På ett sätt ’ korrigerar att tiden inte är verklig eftersom samtidighet är relativ. Tidens pil på makroskopisk nivå är verklig. Hela tiden observerar vi händelser som skulle ha varit så osannolika att gå bakåt, oavsett om vi existerade för att förstå tid. Eller inte.
• Jag håller med om att: ” tiden är – är bara förändringen av partiklar i förhållande till andra partiklar ”. Tiden är bara den relativa frekvensen som händelser inträffar. Det existerar inte. Föreställ dig att en sten rullar nerför en kulle … tiden får inte berget att rulla, tyngdkraften gör det. Vi tror att tiden existerar eftersom frekvensen av neurala händelser som utgör vår medvetna upplevelse verkar vara konsistent, vilket ger en illusion av tid. Jag undrar varför ingen verkar förstå detta, det verkar självklart. Jag tror att det beror på att människor inte ser universum som reducerbara till molekylära händelser som också styrs av orsak och verkan. Fick inte ’ sista stycket