Почему время меняется при движении со скоростью, близкой к скорости света?

Конечно, вы знаете, что это дерево на самом деле не встает и не идет к вам или от вас. Это ты в машине движешься к дереву. Дерево движется только в сравнении или относительно вас — это то, что мы, физики, называем относительностью.

Если бы у вас был друг, стоящий у дерева, он бы увидел, как вы движетесь к нему с той же скоростью, с какой вы видите, как он движется к вам.

В своей книге 1632 года «Диалог о двух главных мировых системах» астроном Галилео Галилей впервые описал принцип относительности — идею о том, что Вселенная должна вести себя одинаково во все времена, даже если два человека переживают событие по-разному, потому что один из них двигаться по отношению к другому.

Если вы находитесь в машине и подбрасываете мяч в воздух, физические законы, действующие на него, такие как сила тяжести, должны быть такими же, как те, которые действуют на наблюдателя, наблюдающего за происходящим со стороны дороги.

Однако в то время как вы видите, как мяч движется вверх и вниз, кто-то на обочине дороги увидит, как он движется к ним или от них, а также вверх и вниз.

Специальная теория относительности и скорость света

Альберт Эйнштейн намного позже предложил идею того, что сейчас известно как специальная теория относительности, чтобы объяснить некоторые запутанные наблюдения, которые в то время не имели интуитивного объяснения.

Эйнштейн использовал работу многих физиков и астрономов в конце 1800-х годов, чтобы составить свою теорию в 1905 году, начав с двух ключевых компонентов: принципа относительности и странного наблюдения, что скорость света одинакова для всех наблюдателей и ничто не может двигаться. Быстрее.

Каждый, кто измеряет скорость света, получит один и тот же результат, независимо от того, где он находится и как быстро движется.

Допустим, вы едете в машине со скоростью 60 миль в час, а ваш друг стоит у дерева. Когда они бросают в вас мяч со скоростью, которую они воспринимают как 60 миль в час, вы можете логически подумать, что вы увидите, как ваш друг и дерево движутся к вам со скоростью 60 миль в час, а мяч движется к вам со скоростью 120. миль в час. Хотя это действительно близко к правильному значению, на самом деле это немного неправильно.

Это несоответствие между тем, что вы могли бы ожидать, сложив два числа, и истинным ответом растет по мере того, как один или оба из вас приближаются к скорости света.

Если бы вы летели на ракете, движущейся со скоростью 75 % скорости света, а ваш друг бросает мяч с той же скоростью, вы бы не увидели, как мяч летит к вам со скоростью 150 % скорости света.

Это потому, что ничто не может двигаться быстрее скорости света — мяч все равно будет двигаться к вам со скоростью, меньшей скорости света. Хотя все это может показаться очень странным, существует множество экспериментальных доказательств, подтверждающих эти наблюдения.

Замедление времени и парадокс близнецов

Скорость — не единственный фактор, который меняется в зависимости от того, кто осуществляет наблюдение. Другим следствием теории относительности является концепция замедления времени, согласно которой люди измеряют разное количество прошедшего времени в зависимости от того, насколько быстро они движутся друг относительно друга.

Каждый человек переживает время нормально по отношению к себе. Но человек, движущийся быстрее, ощущает, что для него проходит меньше времени, чем человек, движущийся медленнее. Только когда они снова подключают и сравнивают свои часы, они понимают, что одни часы говорят о том, что прошло меньше времени, а другие говорят о большем.

Это приводит к одному из самых странных результатов теории относительности — парадоксу близнецов, который гласит, что если один из пары близнецов совершит путешествие в космос на скоростной ракете, то, вернувшись на Землю, они обнаружат, что их близнец постарел быстрее, чем у них есть. Важно отметить, что время ведет себя «нормально» в восприятии каждого из близнецов (точно так же, как вы ощущаете время сейчас), даже если их измерения расходятся.

Вы можете задаться вопросом: если каждый из близнецов видит себя неподвижным, а другой движется к ним, не будет ли каждый из них измерять, что другой стареет быстрее? Ответ — нет, потому что они оба не могут быть старше другого близнеца.

Близнец на космическом корабле не только движется с определенной скоростью, при неизменной системе отсчета, но и ускоряется по сравнению с близнецом на Земле. В отличие от скоростей, которые относятся к наблюдателю, ускорения абсолютны.

Если вы встанете на весы, измеряемый вами вес на самом деле будет вашим ускорением под действием силы тяжести. Это измерение остается неизменным независимо от скорости, с которой Земля движется через солнечную систему или солнечная система движется через галактику или галактика через вселенную.

Ни один из близнецов не испытывает никаких странностей со своими часами, когда один из них приближается к скорости света — они оба ощущают время так же нормально, как вы или я. Только когда они встретятся и сравнит свои наблюдения, они увидят разницу — ту, которая точно определяется математикой относительности.

Майкл Лам, доцент кафедры физики и астрономии Рочестерского технологического института.