Релативистично забавяне на времето
Гравитационното забавяне на времето е физична концепция за промени в хода на времето, причинени от общата теория на относителността. Часовник в космическото пространство се движи по-бързо от часовник на Земята. Тежки неща като планетите създават гравитационно поле, което забавя времето в близост до тях. Това означава, че часовник на космически кораб, намиращ се далеч от някоя планета, ще се движи по-бързо от часовник в близост до Земята.
Това е различно от забавянето на времето, обяснено със специалната теория на относителността, според която бързите обекти се движат по-бавно във времето. Близки сателити като Международната космическа станция се движат много бързо в орбита около Земята, така че се забавят. Тъй като МКС се намира на ниска околоземна орбита (НОО), забавянето на времето поради гравитацията не е толкова силно, колкото забавянето на времето поради скоростта ѝ, така че часовникът на нея се забавя повече, отколкото се ускорява. Обект в геостационарна орбита се движи по-бавно и е по-далеч от Земята, така че гравитационното забавяне на времето е по-силно и часовниците се движат по-бързо, отколкото в LEO. Това означава, че инженерите трябва да изберат различни часовници за различните орбити. GPS спътниците работят, защото знаят и за двата вида забавяне на времето.
Случай № 1: В специалната теория на относителността часовниците, които се движат, работят по-бавно спрямо часовника на неподвижния наблюдател. Този ефект не идва от работата на часовниците, а от природата на пространство-времето.
Случай № 2: наблюдателите могат да се намират на места с различни гравитационни маси. В общата теория на относителността часовниците, които се намират в близост до силно гравитационно поле, работят по-бавно от часовниците в по-слабо гравитационно поле.
![Два добри часовника ще показват различно време в космоса и на Земята.](https://alegsaonline.com/image/300px-Soyuz_TMA-1_at_the_ISS.jpg)
![Zoom](https://www.alegsaonline.com/zoom.png)
Два добри часовника ще показват различно време в космоса и на Земята.
Доказателства
Експериментите потвърждават и двата аспекта на забавянето на времето.
Разширение на времето поради относителна скорост
Формулата за определяне на разширението на времето в специалната теория на относителността е:
Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,}
където
Δ t {\displaystyle \Delta t\,} е интервалът от време за един наблюдател (например тикванията на неговия часовник) - това е известно като собствено време,
Δ t ′ {\displaystyle \Delta t'\,} е интервалът от време за човека, който се движи със скорост v спрямо наблюдателя,
v {\displaystyle v\,} е относителната скорост между наблюдателя и движещия се часовник,
c {\displaystyle c\,} е скоростта на светлината.
Може да се напише и като:
Δ t ′ = γ Δ t {\displaystyle \Delta t'=\gamma \Delta t\,}
където
γ = 1 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,} е коефициентът на Лоренц.
Простото обобщение е, че часовникът в покой измерва повече време, отколкото движещият се часовник, следователно движещият се часовник "работи бавно".
Когато двата часовника не се движат един спрямо друг, двете измерени времена са еднакви. Това може да се докаже математически чрез
Δ t ′ = Δ t 1 - 0 / c 2 = Δ t {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-0/c^{2}}}}={\Delta t}\,}
Например: В космически кораб, който се движи със скорост 99% от скоростта на светлината, минава една година. Колко време ще мине на Земята?
v = 0.99 c {\displaystyle v=0.99c\,}
Δ t = 1 {\displaystyle \Delta t=1\,} година
Δ t ′ = ? {\displaystyle \Delta t'=?\,}
Заместване в : Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,}
Δ t ′ = 1 1 - ( .99 c ) 2 / c 2 = 1 1 - ( . 99 ) 2 ( c ) 2 c 2 = 1 1 - ( .99 ) 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {1}{\sqrt {1-(.99c)^{2}/c^{2}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {(.99)^{2}(c)^{2}}{c^{2}}}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-(.99)^{2}}}}}
= 1 1 - 0,9801 = 1 0,0199 = 7,08881205 {\displaystyle ={\frac {1}{\sqrt {1-0,9801}}}={\frac {1}{\sqrt {0,0199}}}=7,08881205} години
Така за всяка година в космическия кораб на Земята ще минат приблизително 7,09 години.
В обикновения живот днес забавянето на времето не е фактор, тъй като там, където хората се движат със скорости, много по-малки от скоростта на светлината, скоростите не са достатъчно големи, за да предизвикат забележими ефекти на забавяне на времето. Такива нищожно малки ефекти могат спокойно да бъдат пренебрегнати. Едва когато обектът се приближи до скорост от порядъка на 30 000 километра в секунда (67 000 000 мили в час) (10 % от скоростта на светлината), дилатацията на времето става важна.
Все пак има и практически приложения на забавянето на времето. Голям пример за това е поддържането на точността на часовниците на GPS сателитите. Без отчитане на дилатацията на времето резултатът от GPS би бил безполезен, тъй като времето тече по-бързо на спътниците, които са толкова далеч от земната гравитация. GPS устройствата биха изчислили грешна позиция поради разликата във времето, ако космическите часовници не са настроени да работят по-бавно на Земята, за да компенсират по-бързото време на висока околоземна орбита (геостационарна орбита).
Въпроси и отговори
Въпрос: Какво представлява гравитационното забавяне на времето?
О: Гравитационното забавяне на времето е физична концепция за промените в хода на времето, причинени от общата теория на относителността. То възниква, когато тежки обекти като планетите създават гравитационно поле, което забавя времето в близост до тях.
В: По какво се различава от специалната теория на относителността?
О: Специалната теория на относителността твърди, че бързите обекти се движат по-бавно във времето, докато гравитационното разширение на времето казва, че часовниците в близост до силно гравитационно поле работят по-бавно от часовниците в по-слабо гравитационно поле.
Въпрос: Какво се случва с часовниците на Международната космическа станция (МКС)?
О: Тъй като МКС е в ниска околоземна орбита (НОО), нейната скорост води до по-голямо забавяне на часовника, отколкото до ускоряване поради гравитацията. Това означава, че часовникът на станцията се забавя повече, отколкото се ускорява.
Въпрос: Как геостационарната орбита влияе на часовниците?
О: Обектът на геостационарна орбита се движи по-бавно и е по-далеч от Земята, така че гравитационното забавяне на времето е по-силно и часовниците се движат по-бързо, отколкото на LEO.
В: Какво трябва да вземат предвид инженерите, когато избират различни часовници за различни орбити?
О: Инженерите трябва да избират различни часовници за различни орбити в зависимост от това колко силно се влияят от гравитацията или скоростта поради позицията и разстоянието от земната повърхност.
Въпрос: Как работят GPS сателитите по отношение на двата вида забавяне на времето?
О: GPS спътниците работят, защото познават и двата вида забавяне на времето - специалната относителност и общата относителност, което им позволява да измерват точно разстоянията между местата на земната повърхност въпреки разликите в гравитацията или скоростта, дължащи се на тяхното положение и разстояние от земната повърхност.