Чем выше гравитация тем медленнее время
Время эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?
Гравитация, как мы знаем сегодня, обладает способностью искривлять пространство и время. Как утверждал Эйнштейн в Общей теории относительности (ОТО), время, по мере приближения к Земле, идет медленнее. Это происходит из-за того, что гравитация большой массы, например, такой как наша планета, искривляет пространство и время вокруг нее. Этот эффект называется «эффектом замедления времени» и он проявляется даже на малых уровнях. Однако за пределами физических законов мы воспринимаем время иначе, точнее, искаженно. Так, если поместить одни часы на вершине горы, а другие оставить на пляже, то в конце-концов вы увидите, что все часы показывают разное время. Ученые впервые наблюдали эффект замедления времени в космическом масштабе, когда звезда проходила рядом с черной дырой. Затем тот же эффект был зафиксирован в меньших масштабах – исследователи использовали пару чрезвычайно точных атомных часовых механизмов, причем одни часы были расположены на 33 сантиметра выше, чем другие. Результаты показали, что время снова замедлилось на часах, расположенных ближе к Земле.
Время неоднородно: оно течет с разной скоростью в зависимости от того, где вы находитесь и с какой скоростью двигаетесь.
Атомные часы – прибор для измерения времени. В качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.
Эффект замедления времени
Замедление времени восходит к Специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна, согласно которой движение в пространстве на самом деле создает изменения в течении времени. Чем быстрее вы движетесь через три измерения, которые определяют физическое пространство, тем медленнее вы движетесь через четвертое измерение – время, по крайней мере, относительно другого объекта. Так, часы в движении будут тикать медленнее, чем часы на земле. Если двигаться со скоростью, близкой к скорости света, эффект будет гораздо более выраженным.
Важно понимать, что замедление времени – это не мысленный эксперимент или гипотетическая концепция, а реальность. Это доказали эксперименты Хафеле-Китинга, проведенные в 1971 году, когда на самолетах, летящих в противоположных направлениях, были установлены два атомных часовых механизма. Относительное движение на самом деле оказало измеримое воздействие и создало разницу во времени между двумя часами. Это также было подтверждено в других физических экспериментах.
Почему мы помним прошлое, а не будущее?
Но есть еще одна примечательная деталь: замедление времени в результате гравитационных эффектов. Возможно, вы видели фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар», где близость черной дыры заставляет время на другой планете чрезвычайно замедляться (один час на этой планете равен семи земным годам). Эта форма замедления времени также реальна. Все дело в Общей теории относительности Эйнштейна, о чем написано в начале статьи – гравитация может искривлять пространство-время, а следовательно, и само время. А значит, абсолютного времени не существует.
Чем ближе часы к источнику гравитации, тем медленнее проходит время; чем дальше часы от источника гравитации, тем быстрее будет идти время.
Выходит, для всех часов в мире и для каждого из нас время течет немного по-разному. Но даже если время течет с постоянно меняющимися скоростями по всей Вселенной, время все равно течет в каком-то объективном смысле, верно? Или нет?
Физика без времени
В своей книге «Порядок времени» итальянский физик-теоретик Карло Ровелли предположил, что наше восприятие времени — наше ощущение, что время вечно течет вперед – может быть в высшей степени субъективной проекцией. В конце-концов, когда вы смотрите на реальность в наименьшем масштабе (используя уравнения квантовой гравитации, например), время исчезает.
Итак, почему мы воспринимаем время как движение вперед? Ровелли отмечает, что, хотя время исчезает в чрезвычайно малых масштабах, мы наблюдаем энтропию: порядок превращается в беспорядок; яйцо разбивается и становится яичницей. Ровелли пишет, что ключевые аспекты времени описаны во втором законе термодинамики, который гласит, что тепло всегда переходит от горячего к холодному, как улица с односторонним движением. Например, кубик льда тает в чашке горячего чая, а не наоборот. Ровелли предполагает, что подобный феномен может объяснить, почему мы способны воспринимать только прошлое, а не будущее.
«Каждый раз, когда будущее определенно отличается от прошлого, возникает что-то вроде тепла», — писал Ровелли в статье для Financial Times.
Термодинамика прослеживает направление времени к чему-то, называемому «низкой энтропией прошлого», все еще загадочному явлению, о котором бушуют дискуссии.» «Рост энтропии ориентирует время и допускает существование следов прошлого, а они допускают возможность воспоминаний, которые скрепляют наше чувство идентичности. Я подозреваю, что то, что мы называем «течением» времени, следует понимать, изучая структуру нашего мозга, а не изучая физику: эволюция превратила наш мозг в машину, которая питается памятью, чтобы предвидеть будущее. Вот к чему мы прислушиваемся, когда прислушиваемся к течению времени. Таким образом, понимание «течения» времени может иметь большее отношение к нейробиологии, чем к фундаментальной физике. Поиск объяснения ощущения потока в физике может оказаться ошибкой.
Ученым еще многое предстоит узнать о том, как мы воспринимаем время и почему оно действует по-разному в зависимости от масштаба. Но несомненно то, что за пределами физики наше индивидуальное восприятие времени также удивительно эластично.
Еще больше увлекательных статей о последних научных открытиях в области физики, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте.
Странная субъективность времени
На вершине горы время движется иначе, чем на пляже. Но чтобы испытать искажение восприятия времени, не нужно отправляться в горы или на море. Так, в моменты сильного страха мозг выделяет большое количество адреналина, который ускоряет внутренние часы, заставляя воспринимать внешний мир как движущийся очень медленно.
Ровелли отмечает, для работы в области квантовой гравитации придется столкнуться с вопросами о природе времени.
Еще одно распространенное искажение возникает, когда мы фокусируем свое внимание определенным образом. Как отмечает Аарон Сакетт, адъюнкт-профессор маркетинга в Университете Сент-Томаса в интервью Gizmodo, если вы думаете о том, как в настоящее время проходит время, самым главным фактором, влияющим на ваше восприятие времени, является внимание.
Чем больше внимания вы уделяете течению времени, тем медленнее оно течет.
Когда вы отвлекаетесь от течения времени – возможно, от чего—то интересного, происходящего поблизости, вы с большей вероятностью теряете счет времени. Создается стойкое ощущение, что оно ускользает быстрее, чем раньше. Известная поговорка гласит: «Время летит, когда тебе весело», но реальность больше похожа на «время летит, когда ты думаешь о других вещах».
В свою очередь Ровелли считает, что то, что мы называем временем – это богатая, стратифицированная концепция, имеющая множество слоев. Некоторые слои времени применимы только в ограниченных масштабах в ограниченных областях, но это не делает их иллюзиями.Иллюзией является представление о том, что время течет с абсолютной скоростью. Река времени может течь вечно вперед, но она движется с разной скоростью, между людьми и даже внутри вашего собственного разума.
Почему время замедляется от гравитации и скорости света?
Чем быстрее вы будете двигаться в пространстве, тем медленнее вы будете двигаться во времени
Весной 1905 года Альберт Эйнштейн сел на трамвай в нескольких километрах от башни Зитглогге — роскошной башни с часами, которая возвышается над Берном — по дороге домой. Эйнштейн, в то время простой клерк, завершил работу, и ехал в трамвае, думая о истинах Вселенной в свободное время.
И один из его мысленных экспериментов, рожденных в том самом трамвае, произвел революцию в современной физике.
Эйнштейн представлял, что произойдет, если трамвай будет ехать со скоростью света. Смотря на башню с часами Эйнштейн понял, что если он будет путешествовать со скоростью 300 000 километров в секунду, стрелки часов, которые так торжественно двигались, будут казаться полностью застывшими.
В то же время Эйнштейн знал, что, если он вернется на башню с часами, их стрелки будут перемещаться обычным образом — время будет идти своим чередом. Однако для Эйнштейна в трамвае время замедлилось.
Он пришел к выводу, что чем быстрее вы будете двигаться в пространстве, тем медленнее вы будете двигаться во времени. Как такое вообще возможно?
Башня Zytglogge, Берн, Швейцария.
Изображение: Даниэль Швен / Wikimedia Commons)
Дилемма Эйнштейна
На Эйнштейна сильно повлияли работы двух великих физиков. Во-первых, были законы движения, обнаруженные его кумиром, Ньютоном, а во-вторых, были законы электромагнетизма, установленные Максвелом.
Однако две теории были противоречивыми. Максвелл постулировал, что скорость электромагнитной волны, такой как свет, фиксирована — невероятные 300 000 километров в секунду. Он утверждал, что это был фундаментальный закон Вселенной.
В то время как закон Ньютона подразумевал, что скорости всегда относительны. Скорость движения машины со скоростью 40 километров в час составляет 40 километров в час относительно стационарного наблюдателя, но только 20 километров в час относительно автомобиля, движущегося рядом с ним со скоростью 20 км/ч.
Или, 60 км / ч, если тот же автомобиль ехал в противоположном направлении. Эта концепция относительной скорости несовместима с очевидным фундаментальным фактом Максвелла при применении к скорости света. Это представляло для Эйнштейна тяжелую дилемму.
Противоречие заставило Эйнштейна сделать ошеломляющее, но в то же время одно из самых новаторских утверждений в истории физики — коллокацию утверждений, что, конечно же, не удивительно.
Чтобы понять противоречие и, следовательно, почему время замедляется, рассмотрим еще один гениальный мысленный эксперимент, один из лучших у Эйнштейна.
Он представил себе человека на платформе станции, по обе стороны от которого ударяют две молнии. Человек, стоя прямо посередине этих двух точек, наблюдает за полученными лучами света с обеих сторон одновременно.
Тем не менее, все становится странным, когда в то же время другой человек в поезде просматривает эту сцену, когда он проезжает мимо нее со скоростью света. Согласно законам движения, свет от молнии ближе к поезду достигнет человека раньше, чем свет от молнии дальше от поезда.
Измерение скорости света, производимого обоими людьми, будет отличаться по величине. Но как это возможно, если вспомнить, что скорость света, по мнению Максвелла, должна быть постоянной, независимо от движения наблюдателя — так называемый «фундаментальный» закон Вселенной?
Чтобы компенсировать это расхождение, Эйнштейн предположил, что само время замедляется, так что скорость света оставалась постоянной!
Время для человека в поезде проходило медленнее относительно времени для человека на платформе. Эйнштейн назвал это расширением времени.
Гравитационное время
Эйнштейн назвал свою теорию специальной теорией относительности. Это было что-то особенное, потому что оно касалось постоянных скоростей.
Чтобы примирить ее с реальным миром, где объекты все время ускорялись и замедлялись, ему нужно было исследовать последствия своей теории, когда речь шла об ускорении.
Эта попытка обобщить и объяснить все явления привела его к открытию взаимосвязи между временем и гравитацией; он назвал эту новопринятую теорию гравитации «Общая теория относительности».
Ньютон считал, что поток времени был как стрела; он двигался непоколебимо только в одном направлении — вперед. Эйнштейн в том трамвае предположил, что время изменяется обратно пропорционально скорости. Фактически, Эйнштейн утверждал, что время дополняло пространство, в гибкой четырехмерной модели, на которой разворачивались события Космоса.
Он назвал эту модель пространством-временем (пространственно-временной континуум). Когда Эйнштейн опубликовал свою работу, он получил реакцию, которую можно было бы ожидать, когда будет опубликована такая феноменальная работа — недоверие.
Согласно общей теории относительности, материя растягивает и сжимает ткань пространства-времени, так что объекты таинственным образом не тянутся к центру Земли, а скорее отталкиваются вниз деформированным пространством над ними.
Имитируя наклон, кривизна пространства-времени ускоряет объекты, которые движутся вниз, хотя скорость этого ускорения не одинакова во всех точках. Сила тяжести сильнее по отношению к поверхности Земли, где кривизна более интенсивна, чем на ее окраинах.
Хотя это и не совсем корректно, аналогия батута — самый простой способ объяснить деформирование пространства-времени из-за присутствия большой массы.
Если сила тяжести возрастает по мере продвижения вниз, то свободный объект падает быстрее в точке на поверхности, скажем, точке B, чем на большей высоте, скажем, точке А.
Для объекта в свободном падении, согласно специальной теории относительности, время в B должно проходить относительно медленнее, чем оно будет проходить в A, потому что скорость объекта быстрее в точке B.
Что такое время?
Какое время тогда является правильным? Ну, ни одно из них. Эйнштейн выяснил, что нет абсолютного времени. Время является относительным в зависимости от системы сил, которым подчиняется, формально известной как система отсчета. Время, идущее в вашем собственной системе, известно как правильное время.
Если законы движения должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, независимо от их движения, то время должно замедляться, так что чем быстрее вы двигаетесь, тем медленнее ваши часы работают относительно других часов.
Это то, что Энн Хэтэуэй упоминала в фильме «Интерстеллар», когда она сказала Мэтью Макконахи, после посадки на далекую планету возле черной дыры: «Один час на этой планете равен семи годам на Земле.”
Еще раз обратимся к мысли Эйнштейна в трамвае. Является ли появление более медленных часов ограничением нашего примитивного сознания, или время действительно замедляется? И что означает замедление времени? Капризность времени заставляет нас спросить – а что такое само время? Это не простой вопрос — понятие времени озадачивало философов и физиков с древности.
Основной функцией времени является хронологическое отслеживание событий. Однако не считая последних 400 лет люди определяли время, исходя из предположения, что вокруг нас движутся Солнце и звезды, а не Земля вращается вокруг Солнца.
Несмотря на неверное основание для своего вывода, «время» все равно работало хорошо. Это происходило так, потому что дни и времена года повторялись предсказуемо, а когда у вас есть что-то, что повторяется предсказуемо, у вас есть механизм хронометража.
Галилей использовал рекурсивный характер такого механизма для вычисления движения. Описание движения было бы невозможно без какой-либо ссылки на время. Однако это время никогда не было абсолютным.
Даже когда Ньютон формулировал законы движения, он использовал понятие времени, в котором двое часов не идут с абсолютным, независимым временем, а, скорее, они зависимы друг с другом. Синхронизация — причина, по которой мы построили очень сложные и точные атомные часы.
Такое понятие времени строится на одновременности или критическом совпадении двух событий, таких как прибытие поезда и уникальное выравнивание стрелок часов, когда поезд прибывает на станцию.
Теория Эйнштейна утверждает, что эти совпадения должны зависеть от того, как человек движется. Если два наблюдателя на платформе и в поезде не могут договориться о том, что происходит одновременно, они не могут договориться о том, как течет само время!
Для понимания влияния движения рассмотрим простейший механизм хронометража. Представьте себе хронометражный аппарат, состоящий из фотона, который отражается взад и вперед между двумя удаленными зеркалами.
Давайте согласимся, что одна секунда проходит каждый раз, когда фотон отражается. Теперь повесьте двое таких часов в точках A и B выше и на поверхности Земли (обсуждалось в предыдущем разделе), и пусть они измеряют время, когда свободно падающий объект пролетает мимо них.
Свободно падающий объект измеряет время, проходящее в его собственной системе отсчета с аналогичными часами. Что они измеряют?
Наблюдение отражения фотона между двумя движущимися зеркалами аналогично наблюдению теннисного мяча, прыгающего в движущемся поезде.
Несмотря на то, что мяч прыгает перпендикулярно для кого-то в поезде, для неподвижного наблюдателя вне его, мяч отскакивает триангулярно (в треугольниках).
Когда устройство движется вперед, фотон после начала движения, подобно шару, перемещается на большее расстояние после его отражения. Поэтому наше измерение времени исказилось! Более того, чем быстрее движется аппарат, тем дольше фотон отражается, тем самым растягивая длительность секунды!
Вот почему течение времени в точке B оказывается медленнее, чем в точке A (вспомните, как из-за силы тяжести объект падает быстрее в точке B, чем в точке A). Эта графика показывает треугольное движение фотона и, следовательно, задержку времени.
Конечно, разница бесконечно мала. Разница между временем, измеренным часами на вершинах гор и на поверхности Земли, составляет наносекунды. Тем не менее, открытие Эйнштейна — не что иное, как великое событие.
Гравитация действительно препятствует потоку времени, что означает, что чем более массивный объект, тем медленнее течет время в его окрестностях.
Замедление времени влияет на каждый процесс, независимо от того, зависит ли оно от простейшего электромагнитного явления или сложной комбинации электромагнетизма и законов движения Ньютона.
Общность универсальности относительности обеспечивает это. На самом деле даже биологические процессы, а следовательно, и время, изменяется. Да … и наша голова немного старше наших ног!
Время идет быстрее на высоте?
Да, время идет тем быстрее, чем дальше вы находитесь от поверхности земли.
Этот эффект известен как «гравитационное замедление времени». Он предсказан общей теорией относительности Эйнштейна и многократно подтвержден экспериментами. Гравитационное замедление времени происходит из-за того, что объекты с большой массой создают сильное гравитационное поле. Гравитационное поле — это действительно искривление пространства и времени.
Чем сильнее гравитация, тем больше изгибов пространства-времени и тем медленнее течет само время. Однако здесь следует отметить, что наблюдатель в условиях сильной гравитации воспринимает свое время как нормальное течение времени. Таким образом, человек в сильной гравитации видит, что его часы идут нормально, и видит, что часы в слабой гравитации идут быстрее, в то время как человек в слабой гравитации видит, что его часы идут нормально, а другие часы идут медленно. С часами все в порядке. Само время замедляется и ускоряется из-за релятивистского способа, которым масса искажает пространство и время.
Гравитационное замедление времени происходит всякий раз, когда есть разница в силе гравитации, независимо от того, насколько мала эта разница. Земля имеет большую массу и, следовательно, большую гравитацию, поэтому она изгибает пространство и время достаточно, чтобы это можно было измерить.
По мере того как человек удаляется от поверхности земли — даже всего на несколько метров — сила гравитации, действующая на него, ослабевает. Мы не замечаем этого, но даже переход с первого этажа здания на второй этаж здания отдаляет нас от земли и, следовательно, немного ослабляет гравитационную силу, которую мы чувствуем. Разница в силе тяжести между силой тяжести, ощущаемой на высоте трех метров над поверхностью земли, и силой тяжести, ощущаемой на высоте четырех метров, слишком мала, чтобы ее можно было ощутить, но эта разница достаточно велика, чтобы ее уловили чувствительные приборы.
Поскольку сила тяжести ослабевает с каждым шагом, когда мы поднимаемся по лестнице, скорость движения времени также увеличивается с каждым шагом. Люди, которые работают на нижнем этаже небоскреба, буквально путешествуют во времени в будущее по сравнению с людьми, которые работают на верхнем этаже. Но этот эффект очень мал.
Настолько мал, что вы никогда не заметите разницу во времени в повседневной жизни. Люди, которые живут и работают дальше от поверхности земли, имеют опережение лишь на доли наносекунды в год по сравнению с теми, кто находится близко к поверхности. Хотя разница во времени между разными высотами и мала, она реальна и была измерена экспериментально с использованием очень точных атомных часов.
Эйнштейн опять оказался прав — гравитация замедляет время
О секундах свысока
Чем выше, тем непонятнее
Для начала информационный повод — японские ученые решили проверить утверждение Эйнштейна, что на удалении от поверхности Земли время ускоряется. Честно говоря, результат был предсказуем — великий физик был гением, из разряда тех, что рождаются раз в тысячелетие. И крайне редко ошибался. О времени у него вообще были очень передовые представления для того, извините за тавтологию, времени (конца XIX — начала XX века).
Итак, согласно его предположениям, искажение поля пространства-времени связано с гравитацией (в упрощенном смысле — с силой притяжения, всемирным тяготением): чем она выше, тем медленнее течет время. Однако поскольку речь идет о крайне малых значениях, замер показателей с помощью обычных часов вряд ли что-то даст. Японские физики под руководством профессора Токийского университета Хидэтоси Катори использовали оптические атомные часы, которые «работают» от колебаний квантовых частиц. Точность их такова, что, для того чтобы они отстали всего на секунду, должно пройти как минимум 30 миллиардов лет. Два таких прибора синхронизировали и разместили один на первом этаже токийского небоскреба, второй — на его же смотровой площадке, находящейся на 450-метровой высоте. Далее самое интересное. Замеры показали: «высотные» часы стали идти быстрее на 5 стотрилионных долей секунды, чем те, что стояли внизу. За сутки разница составила примерно 4,3 наносекунды. Следовательно, за год верхние часы убегали бы вперед примерно на 1,6 микросекунды. Конечно, тут черт ногу сломит в расчетах, но суть понятна: сила гравитации действительно замедляет время.
Так что же получается? На Земле гравитация так себе — мелочи. Но в тех местах, где она достигает чудовищных значений (например, около черной дыры), время вообще должно течь, как кисель, а внутри нее вообще никуда не двигаться? Осмыслить такие вещи крайне сложно.
Что ты такое?
Чудеса, да и только
К примеру, 800 миллионов лет назад, в эпоху, которую называют «Земля-снежок», или криогенный период неопротерозойской эры, год на нашей планете длился 486 дней. В эпоху динозавров, сотни миллионов лет спустя, он уменьшился до 370 дней, а сейчас составляет 365. Земля вращается все медленнее — ее тормозит лунная гравитация. В итоге дни становятся длиннее (примерно на 1,7 миллисекунды за одно тысячелетие), а год — короче.
Кстати, никакого момента, который можно было бы назвать временным определением «сейчас», на самом деле не существует, поскольку он постоянно ускользает, переходя в разряд прошедшего. Детально это выглядит так: на обработку данных рецепторами сетчатки глаза, а затем еще мозгом, переворачивание картинки и ее раскрашивание уходят доли секунды. Но за это время мир вокруг нас уже изменился. Более грубые детали: Луна, которую мы видим, как нам кажется, в данный момент времени, — изображение нашего естественного спутника секунду назад. Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут назад, а звезды какого-нибудь созвездия «устарели» не менее чем на несколько лет (столько идет свет от них, пока достигнет Земли).
На первой секунде
Как поется в песне: жизнь — это миг между прошлым и будущим. Но если бы вы знали, насколько это справедливо в космическом масштабе! Астрофизик Карл Саган придумал «ужать» историю Вселенной до условного календарного года. Ведь если просто сказать, что Вселенная зародилась 13,7 миллиарда лет назад, а человечество — 2,8 миллиона лет назад, то мы не сможем даже представить эти гигантские сроки, ведь для нас и 100 лет — целая вечность.
Любопытно, что, согласно этой схеме, динозавры жили на земле 4 дня — в реальности это 160 миллионов лет. А время человечества измеряется даже не днями, а минутами — первые люди появились примерно в 22.30 31 декабря. Повсеместное распространение каменных орудий произошло в 23.00. Первые города и цивилизации возникли в 23.59,35. Бронзовый век начался в 23.59,53. Железный век — в 23.59,54. Рождество Христово (начало нашей эры) — в 23.59,56. Эпоха Возрождения в Европе и эпоха великих открытий по всему миру — в 23.59,59. Вся наша современность, развитие науки и технологий, освоение космоса и, собственно говоря, то, что происходит сейчас, — это всего лишь первая секунда нового года. Вот уж точно — не думай о секундах свысока. И вот как теперь с этим жить-то.
Сознание человека может самостоятельно искажать восприятие времени, которое то ускоряется, то замедляется. А может и вовсе останавливаться или идти «задом наперед». Временных иллюзий много, все они имеют свои названия, но не все — объяснения. Самая простая иллюзия — хроностазис, или ощущение застывшего времени. Возникает она тогда, когда мозг сталкивается с принципиально новым явлением или задачей и на секунду как бы «столбенеет», обрабатывая информацию чуть-чуть дольше обычного.