Меню

Почему время движется со скоростью света



Влияет ли скорость света на старение?

Феномен замедления времени в космосе долгое время волновал умы писателей-фантастов со всего мира. Вместе с тем, вопрос о том, как сильно воздействует перемещение астронавта со скоростью света на его биологические часы, впервые был описан в так называемом “парадоксе близнецов”, в котором астронавт совершает путешествие в космос на скоростной ракете, а его брат-близнец остается на Земле. Считается, что по возвращению на голубую планету, астронавт обнаружит своего близнеца постаревшим, в то время как внешний вид самого космического путешественника останется едва ли не прежним.

Скорость света может оказывать сильное влияние на процессы старения, происходящие в организме астронавтов

Почему скорость света замедляет время?

Замедление времени восходит к специальной теории относительности Эйнштейна, которая учит нас, что движение в пространстве на самом деле создает изменения в потоке времени. Чем быстрее вы движетесь сквозь три измерения, которые определяют физическое пространство, тем медленнее вы движетесь через четвертое измерение, которое, по сути, представляет собой время. Время в таком случае измеряется по-разному для астронавта и его близнеца, который оставался на Земле. Часы в движении будут тикать медленнее, чем часы, которые мы наблюдаем на Земле. Вместе с тем, если астронавт будет двигаться со скоростью, близкой к скорости света, эффект будет гораздо более выраженным.

Согласно статье, опубликованной на портале technologyreview.com, замедление времени не является мысленным экспериментом или гипотетической концепцией — оно реально. Эксперименты Хафеле-Китинга, проведенные в далеком 1971 году, доказали уникальную возможность практически полностью остановить время в тот момент, когда двое атомных часов находились на самолетах, летящих в противоположных направлениях. Относительное движение оказало измеримое влияние, создав некоторую разницу во времени между двумя часами. Подобное явление также было подтверждено в других физических экспериментах (например, быстро движущиеся мюонные частицы подвержены более долгому распаду, чем все остальные).

Ричард Китинг и Джозеф Хафеле, доказавшие возможность замедления времени

В современной науке считается, что именно на “релятивистских скоростях”, которые обычно начинаются от одной десятой скорости света, так или иначе проявляются эффекты относительности. В таком случае, астронавт, возвращающийся домой из космического путешествия, по возвращении будет выглядеть значительно моложе своих друзей и представителей семьи того же возраста, которые остались на Земле. Вопрос о том, насколько именно моложе он он будет выглядеть, будет прямо зависеть от скорости космического корабля.

Вместе с тем, существует еще один момент, который стоит упомянуть: время может замедляться не только из-за влияния скорости света, но и в результате воздействия на него некоторых гравитационных эффектов. Возможно, вы видели фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар», в котором показано, что близость черной дыры способна буквально растягивать время на другой планете, превращая один проведенный час на планете Миллер в эквивалент семи земных лет.

Подобная форма замедления времени также реальна, что доказывается в общей теории относительности Эйнштейна. Гравитация в таком случае может значительно искривлять материю пространства-времени, заставляя часы, расположенные ближе к источнику гравитации, подвергаться гораздо более медленному течению времени, чем обычно. Астронавт, оказавшийся в непосредственной близости от черной дыры, постареет гораздо позже, чем его брат-близнец, решивший остаться дома. Подобная ситуация, пожалуй, может стать отличным сценарием для нового голливудского блокбастера.

Источник

Почему свет движется со скоростью света?

(Прим. пер. ― см. прим. пер. в конце поста)

Почему свет движется со скоростью света? Почему он просто не стоит на месте? Что приводит его в движение (тем более, такое быстрое)?

Всё и везде, просто по факту своего существования, «движется» со скоростью света (которая на самом деле не имеет ничего общего со светом). Да, это касается и вас тоже. Вот прямо сейчас.

Люди в основном воспринимают «вселенную» как «пространство», нечто отдельное от «времени», и честно говоря, они неправы. Пространство и время — не отдельные штуковины. Вселенная сделана из «пространствовремени», прямо так, без пробела. Вы, наверное привыкли к тому, что «год» — это единица времени, а «световой год» — единица расстояния, то есть это разные вещи; но с точки зрения физика это ровным счетом одно и то же (ну, конечно, смотря каким видом физики вы занимаетесь).

Читайте также:  Какую лампу ближнего света для фольксваген гольф

В нашей будничной жизни мы исходим из того, что движение — это некое расстояние (пространство), преодоленное за некое время. Однако, если мы решили, что это одно и то же, наше определение движение внезапно становится полной ерундой. «Я прохожу километр за каждый километр, который я прохожу» — кошмар какой-то!

Оказывается, все работает вот как — всё во Вселенной «путешествует» через пространствовремя с постоянной «скоростью», которую я буду далее обозначать как с, для краткости. Не забывайте, «движение» в пространствовремени не имеет смысла, поэтому ничего не может быть «быстрее» или «медленнее», чем что-нибудь другое. Все вокруг проходит километр в течение километра, вот так вот.

Однако, мы же своими глазами видим, что у разных вещей вокруг нас разные скорости. Причина этому — тот обалденный факт, что пространство и время ортогональны (этим красивым словом я пытаюсь сказать «под нужным углом друг к другу»). Например, в этом же смысле ортогональны (перпендикулярны) север и восток — вы можете сколь угодно долго идти ровно на север, и это никак не отразится на вашем движении на восток или запад.

Так же, как вы можете перемещаться на север, при этом не двигаясь на восток, вы можете перемещаться во времени, не перемещаясь в пространстве. Но еще круче то, что вы можете перемещаться в пространстве так, что это никак не отразится на вашем «положении» во времени.

Думаю что вы сейчас (как и я) сидите и смотрите в экран. Это значит, что вы не особо путешествуете в пространстве. А поскольку вы должны путешествовать в пространствовремени с постоянной скоростью с, это значит, что все ваше «движение» расходуется в направлении времени.

Кстати говоря, именно поэтому происходит знаменитое замедление времени. Объект, который движется очень быстро (относительно вас), перемещается в пространстве, но поскольку он так же перемещается в пространствовремени с постоянной скоростью с, ему приходится медленнее перемещаться во времени, для компенсации (опять же с вашей точки зрения).

Что еще более удивительно, свет вообще не перемещается во времени. Это немного сложно объяснить, но вкратце, это связано с тем, что у него нет массы.

Что-то, что не движется в пространстве, но у чего есть масса, может иметь энергию. В этом смысл формулы E = mc^2. У света нет массы, но энергия у него точно есть. Если мы применим массу света к E = mc^2, мы получим 0, что бессмысленно, потому что у света есть энергия. Следовательно, свет никогда не может быть неподвижен.

Более того! Свет никогда не бывает неподвижен относительно ничего. Поскольку, как и всё во Вселенной, он путешествует через пространствовремя со скоростью с, значит вся это «пространствовременная скорость» должна быть в «направлении» пространства, и ничего не остается на время.

Итак, свет движется со скоростью с. Совсем не случайно эту скорость часто определяют как «скорость света в вакууме». На самом деле, это скорость, с которой движется вообще все и везде. Просто так получилось, что свет с этой скоростью движется именно по пространству, поскольку у него нет массы.

Кстати, тут можно ответить еще на один часто задаваемый вопрос — почему ничто не может двигаться быстрее света, и почему вещи «материальные» (обладающие массой) не могут двигаться со скоростью света. Поскольку всё «движется» по пространствовремени с постоянной скоростью с, ничто не может преодолеть эту скорость в пространстве. И нет, путешествие обратно в прошлое не поможет.

Также, поскольку объекты с массой могут быть «неподвижны» относительно чего-нибудь (например, себя), им всегда приходится двигаться во времени хотя бы немножко. Это значит, что они не могут двигаться в пространстве так быстро, как свет. Тогда бы им пришлось двигаться в пространствовремени быстрее скорости с, что невозможно.

Так, если свет не движется сквозь время, только сквозь пространство, почему же он тогда не перемещается мгновенно? Ведь мы точно знаем, что свету нужно некоторое время, чтобы долететь от Солнца до Земли.

Читайте также:  Можно ли фару дальнего света использовать как ближнюю

Очень сложно (если вообще возможно) адекватно описать течение пространства и времени с точки зрения фотона. Можно сказать, что фотоны не «чувствуют» времени, хотя это прозвучит странно. Хотя, нам незачем особо переживать об их чувствах.

Перемещение из одного места в другое занимает у света какое-то время, потому что его скорость конечна относительно любого, кто наблюдает за ним. Не пытайтесь представить, «что видит свет вокруг себя», мы можем только представить, «что видит тот, кто видит свет». Мы не можем (по крайней мере, на данном этапе развития) обсуждать, как свет «воспринимает» мир, это вообще скорее всего не имеет смысла.

(Прим. пер. ― не устою перед соблазном представить себя фотоном. Получается, фотон, с точки зрения себя самого, улетает с Солнца и прилетает на Землю в один и тот же момент времени. И вообще все — один момент времени, потому что времени-то и нет совсем).

Немного глупый вопрос, но означает ли все это, что если нечто движется сквозь пространство, оно будет стареть медленнее, потому что его движение сквозь пространствовремя будет медленнее относительно всего вокруг этого нечто?

Да, именно! Поздравляю, теперь вы понимаете, что значит замедление времени. Очень верное замечание про «относительно всего вокруг».

А разве нам не удалось остановить свет в кристаллах и всем таком?

Нам удалось запустить фотон внутрь специального кристалла, который его поглотил. Сделав это, кристалл вибрирует специальным образом, который кодирует информацию о фотоне (цвет и все такое). Спустя некоторое время, кристалл испускает новый фотон, с теми же свойствами, что и ранее поглощенный, потому что вибрации «хранили» эти свойства.

Нигде в это время мы не останавливали фотон. Грубо говоря, мы его убили, а потом клонировали.

Это важное открытие, например, позволяет нам использовать оптику в ИТ. Мы здорово умеем передавать информацию при помощи света, но нельзя хранить такую информацию, если только не потратить время на ее преобразование в электричество.

Вы только что прочитали (или промотали) перевод вот этого поста на reddit, точнее, ответов пользователя corpuscle634. Будучи очень далеким от темы поста (я дизайнер), я, однако, просто не мог не поделиться этим текстом с хабрасообществом. Соответственно, тут я должен соблюсти необходимые формальности, как-то: об ошибках пишите в личку, перевод любительский, мопед не мой, и все такое.

Если у вас, как и у меня, этот пост вызвал «massive lightbulb moment», и хочется продолжения, вот еще из математики — A Visual, Intuitive Guide to Imaginary Numbers

Да пребудет с вами пространствовремя!

Источник

Относительность 3 — Замедление времени, сокращение расстояний

Принцип относительности приводит к постоянству скорости света вне зависимости от направления или скорости движения наблюдателя. Как мы видели в предыдущем видео универсальное и единое для всех понятие одновременности событий приходится отбросить. А вместе с ним как мы сейчас увидим и постулат о едином для всех времени.

Рассмотрим так называемые световые часы. Луч света движется между двумя зеркалами. Какое-то количество переотражений луча между зеркалами соответствует одной секунде. За единицу времени Δt можно принять время прохождения луча от одного зеркала к другому.

В системе отсчета связанной с часами они неподвижны и пройденное светом расстояние есть просто cΔt.

В системе отсчета в которой световые часы движутся со скоростью v, луч идет по гипотенузе и проходит расстояние cΔt’. Штрихом будем обозначать эту вторую систему отсчета. Δt’ не может быть равен Δt поскольку скорость света с всегда одинаковая, а пройденное расстояние разное.

Расстояние между зеркалами можно найти через теорему Пифагора. Δt’ получается равным следующему выражению. Поскольку расстояние между зеркалами L это просто cΔt получаем связь интервалов времени разных систем отсчета.

Интервал времени Δt’ в движущейся системе более длинный. За одну секунду в движущейся системе пройдет более одной секунды в неподвижной. То есть время в движущейся системе отсчета замедляется.

Читайте также:  Американский свет при техосмотре

Не следует думать, что замедление времени — это кажущийся эффект или он применим только для таких экзотических световых часов. Время можно измерять по-разному. Любые другие часы или физические процессы можно сопоставить с такими световыми часами. Они не лучше и не хуже скажем механических часов. Замедляются все физические процессы.

Скорость находится как расстояние, деленное на время. Скорость света одинакова во всех системах координат, а время, как мы выяснили, течет по-разному. Поэтому при замедлении времени, расстояние должно сокращаться на тот же самый множитель, чтобы скорость света не изменилась.

Это можно продемонстрировать перевернув световые часы на 90 градусов, чтобы луч шел параллельно направлению движения.

По пути к зеркалу луч проходит расстояние L плюс то расстояние, на которое успело сдвинуться зеркало.

По пути обратно луч проходит расстояние L минус то расстояние, на которое успело приблизиться первое зеркало.

Общее время равно их сумме:

Сравнивая с предыдущим случаем для вертикально расположенных часов мы видим, что выражения различны. Горизонтальные и вертикальные часы идут по-разному. Такого не должно быть. От того что мы перевернули часы их показания не должны измениться. Устранить это можно только предположив, что само расстояние между зеркалами сократилось.

Множитель 2 появился из-за того, что мы в данном случае рассматривали вдвое больший путь луча – к зеркалу и обратно.

Все расстояния по направлению движения сокращаются:

Поскольку фундаментальной величиной является скорость света, а расстояния и интервалы времени вычисляются через нее и оказываются разными в разных системах отсчета, их лучше представлять себе просто как координаты.

При смене системы отсчета просто происходит переход от одной системы координат к другой. Как именно это происходит мы поговорим в следующем видео.

Важно то, что наблюдаемые явления не зависят от выбора системы координат или системы отсчета в нашем случае. Один и тот же эффект объясняется разными способами в разных системах отсчета. Классическим примером служат мюоны, рождаемые при столкновении космических лучей с верхними слоями атмосферы. Они летят по направлению к Земле со скоростью, близкой к скорости света. Но поскольку их время жизни равна всего 2 микросекундам, даже при такой высокой скорости они должны были бы распасться не достигнув поверхности. Но они наблюдаются и на поверхности. С нашей точки зрения это объясняется тем, что их время замедляется. Но с точки зрения самих частиц эффект объясняется сокращением проходимого ими расстояния от верхних слоев атмосферы до поверхности.

В электромагнетизме можно найти аналогичные примеры, когда один и тот же эффект объясняется в одной системе отсчета магнитными явлениями, а в другой электрическими. Так происходит потому, что электродинамика Максвелла уже совместима с теорией относительности.

Также нет ничего удивительного в том, что если из первой системы наблюдается замедление времени и сокращения расстояний у второй, то из этой второй системы наблюдаются такие же эффекты у первой.

Все инерциальные системы отсчета равноправны. Нельзя полагать, что кто-то один из них прав, а другой нет. Математика теории относительности гарантирует, что вы не получите никаких наблюдаемых парадоксов и логических нестыковок, если будете следовать правилам.

Ну и напоследок приведем график изменения релятивистского множителя с корнем как функцию скорости. Его обычно обозначают буквой гамма. Видим, что значительное отличие от единицы происходит только при достижении скорости в половину скорости света. При приближении к скорости света множитель резко возрастает и в асимптотике стремится к бесконечности.

При скоростях менее десятой от скорости света его можно приближенно считать единицей. А это все-таки по привычным нам меркам большие скорости – 30 000 км/с. Никто из людей никогда не двигался даже со скоростями в 1/1000 от этой одной десятой скорости света. Сегодняшним рекордом пилотируемых космических кораблей является скорость 40 000 км/ч, что составляет всего лишь 11км/с. Вторая космическая скорость до которой разгонялись астронавты при полете к Луне.

Сравните 11км/с и 300 000км/с. Именно поэтому у нас напрочь отсутствует интуиция касательно релятивистских эффектов и теории относительности вообще.

Источник