Гравитационное замедление времени - Gravitational time dilation - Wikipedia

Эта статья о замедлении времени из-за относительной силы тяжести. О замедлении времени из-за относительной скорости см. Относительная скорость замедления времени.

Гравитационное замедление времени это форма замедление времени, фактическая разница во времени между двумя События как измерено наблюдатели расположен на разном расстоянии от гравитирующего масса. Чем ниже гравитационный потенциал (чем ближе часы к источнику гравитации), тем медленнее идет время, ускоряясь по мере увеличения гравитационного потенциала (часы удаляются от источника гравитации). Альберт Эйнштейн первоначально предсказал этот эффект в его теория относительности и с тех пор это было подтверждено тесты общей теории относительности.^[1]

Это было продемонстрировано тем, что атомные часы на разных высотах (и, следовательно, с разным гравитационным потенциалом) в конечном итоге покажет разное время. Эффекты, обнаруженные в таких экспериментах на Земле, чрезвычайно малы, а различия измеряются в наносекунды. По сравнению с возрастом Земли в миллиарды лет, ядро ​​Земли на 2,5 года моложе ее поверхности.^[2] Для демонстрации больших эффектов потребуются большие расстояния от Земли или более крупный гравитационный источник.

Гравитационное замедление времени было впервые описано Альбертом Эйнштейном в 1907 году.^[3] как следствие специальная теория относительности в ускоренных системах отсчета. В общая теория относительности, считается разница в прохождении подходящее время в разных положениях, как описано метрический тензор пространства-времени. Впервые существование гравитационного замедления времени было подтверждено непосредственно исследованием Эксперимент Паунда – Ребки в 1959 г., а затем усовершенствован Гравитационный зонд A и другие эксперименты.

Определение

Часы далекие от массивных тел (или при более высоких гравитационных потенциалах) бегут быстрее, а часы рядом с массивными телами (или при более низких гравитационных потенциалах) идут медленнее. Например, если считать за весь период времени Земли (4,6 миллиарда лет), часы, установленные в геостационарной позиции на высоте 9000 метров над уровнем моря, например, возможно, на вершине гора Эверест (известность 8,848 м) будет примерно на 39 часов раньше, чем часы, установленные на уровне моря.^[4][5] Это потому, что гравитационное замедление времени проявляется в ускоренном системы отсчета или, в силу принцип эквивалентности, в гравитационном поле массивных объектов.^[6]

Согласно общей теории относительности, инертная масса и гравитационная масса одинаковы, и все ускоренные системы отсчета (например, равномерно вращающаяся система отсчета с замедлением собственного времени) физически эквивалентны гравитационному полю такой же силы.^[7]

Рассмотрим группу наблюдателей вдоль прямой «вертикальной» линии, каждый из которых испытывает определенную константу. перегрузка по этой линии (например, длинный разгоняющийся космический корабль,^[8][9] небоскреб, вал на планете). Позволять ${\displaystyle g(h)}$ - зависимость силы перегрузки от «высоты», координаты вдоль указанной линии. Уравнение относительно базового наблюдателя при ${\displaystyle h=0}$ является

${\displaystyle T_{d}(h)=\exp \left[{\frac {1}{c^{2}}}\int _{0}^{h}g(h')dh'\right]}$

куда ${\displaystyle T_{d}(h)}$ это общий замедление времени в отдаленной позиции ${\displaystyle h}$, ${\displaystyle g(h)}$ зависимость силы перегрузки от "высоты" ${\displaystyle h}$, ${\displaystyle c}$ это скорость света, и ${\displaystyle \exp }$ обозначает возведение в степень к е.

Для простоты в Семья наблюдателей Риндлера в плоское пространство-время, зависимость будет

${\displaystyle g(h)=c^{2}/(H+h)}$

с постоянным ${\displaystyle H}$, что дает

${\displaystyle T_{d}(h)=e^{\ln(H+h)-\ln H}={\tfrac {H+h}{H}}}$.

С другой стороны, когда ${\displaystyle g}$ почти постоянный и ${\displaystyle gh}$ намного меньше, чем ${\displaystyle c^{2}}$, линейное приближение "слабого поля" ${\displaystyle T_{d}=1+gh/c^{2}}$ также можно использовать.

Видеть Парадокс Эренфеста для применения той же формулы к вращающейся системе отсчета в плоском пространстве-времени.

Вне невращающейся сферы

Общее уравнение, используемое для определения гравитационного замедления времени, выводится из Метрика Шварцшильда, который описывает пространство-время в окрестности невращающегося массива сферически симметричный объект. Уравнение

${\displaystyle t_{0}=t_{f}{\sqrt {1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}}}=t_{f}{\sqrt {1-{\frac {r_{s}}{r}}}}=t_{f}{\sqrt {1-{\frac {v_{e}^{2}}{c^{2}}}}}=t_{f}{\sqrt {1-\beta _{e}^{2}}}}$

куда

• ${\displaystyle t_{0}}$ - собственное время между двумя событиями для наблюдателя вблизи массивной сферы, то есть глубоко в гравитационном поле
• ${\displaystyle t_{f}}$ является координатой времени между событиями для наблюдателя на произвольно большом расстоянии от массивного объекта (предполагается, что удаленный наблюдатель использует Координаты Шварцшильда, система координат, в которой часы на бесконечном расстоянии от массивной сферы будут отсчитывать одну секунду в секунду координатного времени, в то время как более близкие часы будут идти с меньшей частотой),
• ${\displaystyle G}$ это гравитационная постоянная,
• ${\displaystyle M}$ это масса объекта, создающего гравитационное поле,
• ${\displaystyle r}$ - радиальная координата наблюдателя в гравитационном поле (эта координата аналогична классическому расстоянию от центра объекта, но фактически является координатой Шварцшильда; уравнение в этой форме имеет реальные решения для ${\displaystyle r>r_{s}}$),
• ${\displaystyle c}$ это скорость света,
• ${\displaystyle r_{s}=2GM/c^{2}}$ это Радиус Шварцшильда из ${\displaystyle M}$,
• ${\displaystyle v_{e}={\sqrt {\frac {2GM}{r}}}}$ - убегающая скорость, а
• ${\displaystyle \beta _{e}=v_{e}/c}$ - убегающая скорость, выраженная в долях скорости света c.

Чтобы проиллюстрировать это, без учета эффектов вращения, близость к гравитационной скважине Земли заставит часы на поверхности планеты накапливать примерно на 0,0219 секунды меньше за период в один год, чем часы удаленного наблюдателя. Для сравнения, часы на поверхности Солнца будут накапливать примерно на 66,4 секунды меньше за год.

Круговые орбиты

В метрике Шварцшильда свободно падающие объекты могут находиться на круговых орбитах, если радиус орбиты больше, чем ${\displaystyle {\tfrac {3}{2}}r_{s}}$ (радиус фотонная сфера ). Формула для часов в состоянии покоя приведена выше; приведенная ниже формула дает общее релятивистское замедление времени для часов на круговой орбите:^[10][11]

${\displaystyle t_{0}=t_{f}{\sqrt {1-{\frac {3}{2}}\!\cdot \!{\frac {r_{s}}{r}}}}\,.}$

Оба расширения показаны на рисунке ниже.

Важные особенности гравитационного замедления времени

• В соответствии с общая теория относительности, гравитационное замедление времени совпадает с существованием ускоренная система отсчета. Кроме того, все физические явления в аналогичных обстоятельствах претерпевают замедление времени в равной степени в соответствии с принцип эквивалентности используется в общая теория относительности.
• Скорость света в локали всегда равна c по словам наблюдателя, который там присутствует. То есть каждой бесконечно малой области пространства-времени может быть присвоено собственное время, и скорость света в соответствии с собственным временем в этой области всегда равна c. Это тот случай, независимо от того, занята ли данная область наблюдателем. А временная задержка можно измерить для фотонов, которые испускаются с Земли, изгибаются около Солнца, перемещаются к Венере, а затем возвращаются на Землю по аналогичному пути. Здесь нет нарушения постоянства скорости света, так как любой наблюдатель, наблюдающий скорость фотонов в своей области, обнаружит, что скорость этих фотонов равна c, а скорость, с которой мы наблюдаем, как свет распространяется на конечные расстояния в окрестности Солнца, будет отличаться от c.
• Если наблюдатель может отслеживать свет в удаленном, удаленном месте, который перехватывает удаленного наблюдателя с расширенным временем, более близкого к более массивному телу, этот первый наблюдатель отслеживает, что и удаленный свет, и этот удаленный наблюдатель с расширенным временем имеют более медленные часы. чем другой свет, который приходит к первому наблюдателю в c, как и все остальные, свет первый наблюдатель В самом деле может наблюдать (в своем собственном месте). Если другой, удаленный свет в конечном итоге перехватит первого наблюдателя, он также будет измерен на c первым наблюдателем.
• Гравитационное замедление времени ${\displaystyle T}$ в гравитационной яме равна замедление скорости для скорости, необходимой для выхода из гравитационной ямы (учитывая, что метрика имеет вид ${\displaystyle g=(dt/T(x))^{2}-g_{space}}$, я. е. он инвариантен ко времени, и здесь нет терминов "движение" ${\displaystyle dxdt}$). Чтобы показать это, можно применить Теорема Нётер телу, свободно падающему в колодец из бесконечности. Тогда инвариантность метрики во времени влечет сохранение величины ${\displaystyle g(v,dt)=v^{0}/T^{2}}$, куда ${\displaystyle v^{0}}$ это временная составляющая 4-скоростной ${\displaystyle v}$ тела. В бесконечности ${\displaystyle g(v,dt)=1}$, так ${\displaystyle v^{0}=T^{2}}$, или в координатах, скорректированных с учетом местного замедления времени, ${\displaystyle v_{loc}^{0}=T}$; то есть замедление времени из-за приобретенной скорости (измеренной в положении падающего тела) равно гравитационному замедлению времени в колодце, в которое упало тело. Применяя этот аргумент в более общем плане, мы получаем, что (при тех же предположениях относительно метрики) относительное гравитационное замедление времени между двумя точками равно замедлению времени из-за скорости, необходимой для подъема от нижней точки к верхней.

Экспериментальное подтверждение

Спутниковые часы замедляются из-за своей орбитальной скорости, но ускоряются за счет удаленности от гравитационного колодца Земли.

Гравитационное замедление времени было экспериментально измерено с помощью атомных часов на самолетах. Часы на борту самолетов были немного быстрее, чем часы на земле. Эффект достаточно значителен, чтобы Глобальная система позиционирования искусственные спутники нужно исправить их часы.^[12]

Кроме того, замедление времени из-за разницы в высоте менее одного метра было экспериментально подтверждено в лаборатории.^[13]

Гравитационное замедление времени также было подтверждено Эксперимент Паунда – Ребки, наблюдения спектров белый Гном Сириус Б, и эксперименты с сигналами времени, отправляемыми в и из Викинг 1 Посадочный модуль на Марс.

Смотрите также

• Гипотеза часов
• Гравитационное красное смещение
• Эксперимент Хафеле – Китинга
• Относительная скорость замедления времени
• Парадокс близнецов

Рекомендации

1. Эйнштейн, А. (февраль 2004 г.). Относительность: специальная и общая теория Альберта Эйнштейна. Проект Гутенберг.
2. Uggerhøj, U I; Миккельсен, Р. Э .; Фэй, Дж (2016). «Молодой центр Земли». Европейский журнал физики. 37 (3): 035602. arXiv:1604.05507. Bibcode:2016EJPh ... 37c5602U. Дои:10.1088/0143-0807/37/3/035602. S2CID  118454696.
3. А. Эйнштейн, "Uber das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen", Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik 4, 411–462 (1907); Английский перевод в "О принципе относительности и сделанных из него выводах" в "The Collected Papers", v.2, 433–484 (1989); также в Х. М. Шварце, «Всестороннем эссе Эйнштейна 1907 года по теории относительности, часть I», American Journal of Physics, том 45, № 6 (1977), стр. 512–517; Часть II в Американском журнале физики, том 45, № 9 (1977), стр. 811–817; Часть III в American Journal of Physics, том 45, № 10 (1977), стр. 899–902, см. части I, II и III.
4. Хассани, Садри (2011). От атомов к галактикам: концептуальный физический подход к научному знанию. CRC Press. п. 433. ISBN  978-1-4398-0850-4. Выдержка страницы 433
5. Топпер, Дэвид (2012). Как Эйнштейн создал теорию относительности из физики и астрономии (иллюстрированный ред.). Springer Science & Business Media. п. 118. ISBN  978-1-4614-4781-8. Отрывок страницы 118
6. Джон А. Аупинг, Материалы Международной конференции по двум космологическим моделям., Plaza y Valdes, ISBN  9786074025309
7. Йохан Ф. Принс, О неодновременности Эйнштейна, сокращении длины и замедлении времени
8. Когут, Джон Б. (2012). Введение в теорию относительности: для физиков и астрономов (иллюстрированный ред.). Академическая пресса. п. 112. ISBN  978-0-08-092408-3.
9. Беннетт, Джеффри (2014). Что такое относительность?: Интуитивное знакомство с идеями Эйнштейна и их значение (иллюстрированный ред.). Издательство Колумбийского университета. п. 120. ISBN  978-0-231-53703-2. Отрывок страницы 120
10. Китон, Китон (2014). Принципы астрофизики: использование гравитации и звездной физики для исследования космоса (иллюстрированный ред.). Springer. п. 208. ISBN  978-1-4614-9236-8. Выдержка страницы 208
11. Тейлор, Эдвин Ф .; Уилер, Джон Арчибальд (2000). Изучение черных дыр. Эддисон Уэсли Лонгман. п.8 -22. ISBN  978-0-201-38423-9.
12. Ричард Вольфсон (2003). Просто Эйнштейн. W W Norton & Co. стр. 216. ISBN  978-0-393-05154-4.
13. К. В. Чоу, Д. Б. Хьюм, Т. Розенбанд, Д. Дж. Вайнленд (24 сентября 2010 г.), «Оптические часы и теория относительности», Наука, 329(5999): 1630–1633; [1]

дальнейшее чтение

• Грён, Эйвинд; Нэсс, Арне (2011). Теория Эйнштейна: строгое введение для математически неподготовленных. Springer. ISBN  9781461407058.