Как идет время в космосе?
Долгое время предположение того, что в разных местах время может двигаться быстрее или медленнее, не принималось людьми за серьезность. Все вокруг считали, что время – константа, и доказывать обратное не было смысла. Но 1905 год перевернул все. Альберт Эйнштейн построил новую Специальную теорию относительности. А в 1915 представил Общую теорию относительности, совершив настоящую революцию в современной на тот период физике.
Труды Эйнштейна сначала назывались «К электродинамике движущихся тел». Уже позже, когда мир осознал в каких подробностях Эйнштейн описал принцип относительности, его работа стала называться Теорией относительности. Он ответил на вопросы, которые мучали ученых несколько тысяч лет, доказав, что все в этом мире относительно. Например, если вы стоите на палубе корабля, который пришвартован к причалу, то бросив камень к его носу, вы не заметите никакой разницы, как если бы делали это на плывущем корабле. А все потому, что относительно этого корабля ваше положение не изменилось бы.
В рамках этой статьи нас не интересуют сложные формулы и вычисления Эйнштейна, а лишь основные принципы теории относительности, касающиеся пространства-времени. А они, согласно теории, неразделимы. Конкретно сейчас нам нужны лишь два вывода теории.
- «Пространство-время искривляется под действием гравитационных полей»
- «Любой движущийся объект обладает релятивистским замедление времени»
Из чего следует, что в теле, находящемся в движении, все физические процессы протекают медленнее, чем в том же теле в состоянии покоя. Например, если вы летите в самолете, ваше время течет медленнее, чем у людей на поверхности земли. Естественно, никакой разницы вы не почувствуете, потому что она составляет всего несколько миллиардных долей секунды.
Однако, если лететь со скоростью выше скорости самолета, разница будет существенней. К примеру, один год в ракете, которая летит со скоростью близкой к скорости света, может оказаться несколькими сотнями лет на Земле.
Не стоит думать, что, сев в ракету и разогнавшись до скорости света, вы испытаете некий эффект замедленной съемки. Ощущение времени для вас осталось бы неизменным. Однако, если бы кто-то с Земли мог наблюдать за часами в вашей ракете, ему бы казалось, что ваше время идет несколько медленнее. А если бы вы могли видеть земные часы, то уже вы бы заметили, что время на них течет медленней. Это происходит из-за того, что Земля в этот момент двигалась бы относительно вашей ракеты. Назревает очевидный вопрос: почему именно вы испытываете замедление времени, а не вся планета? Потому что вы испытали процесс ускорения, в то время как Земля продолжала равномерно двигаться.
Любое физическое тело искривляет пространство-время вокруг себя. Время замедляется даже рядом с яблоком, лежащим на столе. Конечно, из-за столь несущественной массы яблока этот эффект будет незаметным, и его не измерить ни одним существующим ныне прибором. А если вы вдруг решите вычислять это значение вручную, запаситесь тетрадкой побольше. А лучше несколькими, потому что нули после запятой вам придется вырисовывать очень и очень долго.
Но давайте поговорим о более крупных объектах таких, как Земля. Ее массы то вполне должно хватать для искривления пространства-времени вокруг себя на столько, что такую разницу мы точно сможем измерить соответствующими приборами. Чем ближе мы находимся к телу с огромной массой, тем сильнее его гравитационное притяжение. Это знали все. Но теперь вам станет известно и то, что помимо усиления гравитации, замедляется время при приближении к массивному объекту. Такие выводы были сделаны на основе множественных исследований, а временные изменения считались для Земли и спутников связи при передаче данных между ними.
Крест Эйнштейна является доказательством того, что пространство-время искривляется рядом с объектами большой массы. Этот крест представляет собой фотографию квазара. Вблизи черной дыры, которая находится в самом центре, даже свет квазара искривляется пространством, и мы видим его как четыре пятна.
Проверить данное утверждение может любой школьник. Теория относительности гласит, что в гравитационном поле, тело, находящееся в состоянии свободного падения, движется равномерно и по прямой. Возьмите футбольный мяч и ударьте по нему. Он тут же полетит наверх, а потом упадет. Вам кажется, что траектория мяча в это время дугообразная, но это не так. Мяч летит абсолютно прямолинейно, а падает он тогда, когда его траектория пересекается с траекторией Земли, и происходит искривление пространства-времени.
Все вышесказанное значит, что время в космосе не всегда одинаково замедляется или ускоряется. Где-то оно будет течь быстрее, где-то медленнее. Рядом с черными дырами оно будет значительно медленнее, а вдали от планет и звезд наоборот, чуть быстрее. Помимо гравитации также важно учесть и скорость двигающегося объекта при измерении времени.
Источник
Разница во времени на Земле и в космосе
В 20 в. было доказано, почему отличается время в космосе и на Земле. Разница создается благодаря действию гравитационного поля.
До научных открытий, совершенных ученым Альбертом Эйнштейном, время считалось неизменной величиной. Люди думали, что оно всегда и везде протекает одинаково.
Все изменила Общая теория относительности — согласно данному научному труду, пространство и время связаны друг с другом, а минуты и секунды отсчитываются неодинаково для тел движущихся и находящихся в состоянии покоя.
Важность теории Эйнштейна
Вначале Эйнштейн назвал свою работу «К электродинамике движущихся тел». Теорией относительности она стала позже — когда научный мир, ознакомившийся с ней, сделал выводы, касающиеся «относительного» положения тел в пространстве.
Так, человек, находящийся на борту судна, к примеру на его палубе, бросающий камень по направлению к носовой части, не заметит разницы для себя, если корабль плывет или остается неподвижным. Объясняется феномен тем, что по отношению к кораблю местоположение человека всегда остается неизменным.
Основные выводы
Существует 2 основополагающих принципа, вытекающих из Общей теории относительности:
- Гравитационные поля создают пространственно-временное искривление.
- Для каждого объекта, находящегося в движении, время идет медленнее, чем для того, который остается в покое.
Благодаря релятивистскому замедлению времени для движущихся с ненулевой скоростью объектов любые физические процессы в нем происходят не так быстро, как в статическом положении.
Практический пример
Существует доказательство того, что для человека, летящего самолетом, время течет медленнее, чем для людей, которые находятся на Земле в состоянии покоя. Но этой разницы никто не почувствует, ведь она составит не более миллиардной доли секунды.
Ситуация меняется, когда скорость движущегося объекта многократно увеличивается.
Так, ракета, летящая со скоростью света, способна за 1 год преодолеть расстояние, составляющее 100 и более лет по земным меркам. Для самого космонавта, находящегося внутри такой ракеты, минутные стрелки двигались бы так же, как и всегда, — замедление заметили бы только земляне, каким-либо образом увидевшие часы, установленные в кабине корабля.
С другой стороны, космонавт, в этот момент посмотревший из иллюминатора на Землю и увидевший на ее поверхности часы, обратил бы внимание на их замедленный ход.
Несмотря на это, в действительности замедление возникает только у космонавта. Это связано с большой скоростью летящей ракеты и тем, что точки отсчета для корабля и планеты остаются неравноправными, ведь Земля постепенно передвигается по прямой траектории, а летательный аппарат перемещается с ускорением.
Искривление пространства и времени как причина относительности
Любой физический предмет, обладающий ненулевым весом, изменяет вокруг себя пространственно-временные показатели.
Рядом с таким небольшим объектом, как яблоко, искривление минимально, а явные изменения происходят только в пространстве, окружающем массивные тела.
Земля своей массой создает гравитационное поле такой силы, что для объектов, находящихся на земной орбите, время проходит медленнее, чем на поверхности планеты.
Наличие временного несоответствия было выявлено при отправке сообщений со спутников на Землю.
Ощутимое пространственно-временное искривление возникает вблизи любых массивных тел — планет, звезд. Это было доказано опытным путем.
Свет квазара, расположенного неподалеку от мощной черной дыры, искривляется, время в той области также замедляется.
Это видно по тем пятнам, которые проявляются для земного наблюдателя через неравные временные периоды.
Уничтожение стереотипов
Из всего вышесказанного можно сделать вывод: время в космосе протекает по-разному.
Рядом с крупными объектами оно идет медленнее, а вдали от них, в пространстве без звезд и черных дыр, — быстрее.
Все это в корне рушит стереотип, согласно которому время представляется константой, некой постоянной величиной.
Интересные факты
Согласно теории относительности, любой предмет, на который действует гравитация, падает прямолинейно и равномерно.
Мяч, по которому ударили, движется не по дугообразной, а по прямой траектории. Он летит вверх и падает обратно на Землю из-за пространственно-временного искривления, поскольку траектории подброшенного предмета и планеты в установленный момент сходятся в 1 точке.
Атомные часы на Земле и в космосе
Чтобы доказать, что время на орбите проходит медленнее, чем на земной поверхности — достаточно выдать космонавту, готовящемуся к полету в космос, атомные часы и в точности такие же оставить на Земле.
Если сверить время на часах космонавта, вернувшегося с МКС с местным временем, окажется, что они отстают. Это означает, что космическое время на станции проходило медленнее.
Источник
Атомные часы на Земле и в космосе
Научный мир облетела сенсация – из нашей Вселенной испаряется время. Пока это только гипотеза испанских астрофизиков. Но то, что течение времени на Земле и в космосе отличается, учеными уже доказано. Время под воздействием гравитации течет медленнее, ускоряясь при удалении от планеты. Задачу синхронизировать земное и космическое время выполняют водородные стандарты частоты, которые еще называют «атомными часами». Первые атомные часы появились в середине XX века одновременно с космонавтикой. Сегодня их главные потребители – навигация и цифровая связь.
В космосе и на Земле время течёт по-разному. Как утверждают ученые, из-за гравитации. Чем она сильнее, тем медленнее будет идти время. Например, на МКС, которая вращается вокруг Земли на низкой орбите, время на доли секунды течет быстрее, чем на планете. Еще быстрее ход времени у спутников, работающих на высоких геостационарных орбитах.
«Изменение течения времени на станции мы не ощущаем. Потому что летаем мы не на больших высотах и не так далеко от Земли, всего лишь 400-420 километров. И, конечно, если эти изменения есть на какие-то миллисекунды, мы этого никогда не почувствуем», — рассказал космонавт-испытатель отряда космонавтов Роскосмоса Сергей Рязанский.
По теории относительности Вселенная расширяется с ускорением, которое ей придает таинственная «тёмная энергия». Точного определения этому загадочному явлению пока нет. Но есть мнение, что это связано с процессом замедления времени, которое мы воспринимаем как расширение Вселенной.
По словам ведущего научного сотрудника ГАИШ Сергея Попова, время течет по-разному в разных гравитационных полях. Чем ближе к центру Земли, тем больше величина гравитационного поля. Соответственно, на поверхности Солнца время течет не так, как на расстоянии 10 миллионов километров от его поверхности.
С помощью водородных стандартов частоты, которые еще называют «атомными часами», учёные изучают воздействие гравитации. Установленные на космических аппаратах они приводят земное и космическое время к единому знаменателю, то есть синхронизируют.
«Сейчас только у ленивого нет мобильного телефона, но никто не задумывается над тем, чтобы он работал, станции, которые образуют сеть, должны быть жестко синхронизированы по времени. Речь идет о миллионных долях секунды», — отметил начальник лаборатории системы эталонов ВНИИФТРИ Николай Кошеляевский.
Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Первые атомные часы появились в середине XX века. Сегодня его главные потребители – навигация и цифровая связь. Водородными стандартами частоты оснащены все спутники ГЛОНАСС. «Оно пронизало всю инфраструктуру, весь транспорт, все системы связи, синхронизации», — подчеркивает Кошеляевский.
Российский эталон точного времени «хранится» в Подмосковье. В научном институте физико-технических и радиотехнических измерений. В мире таких атомных часов 450. Они задают международный стандарт времени.
Сегодня в мире монополисты на точное время две страны – Россия и США. Но если в Америке атомные часы на основе цезия, радиоактивного металла, то в России – на основе водорода, элемента более безопасного и долговечного. Большая часть этих приборов рождается в Нижнем Новгороде. В год здесь выпускают до 20 атомных часов.
У них нет циферблата и стрелок. Этот прибор напоминает железную бочку с проводами. Внутри которой самые передовые технологии – высокоточная радиоизмерительная аппаратура с атомным стандартом. «Атом водорода получается в источнике водорода. Затем поступает молекулярный водород, подается высокочастотное поле и получается низкомолекулярная плазма. Где молекула водорода разваливается на два атома», — рассказал начальник отделения стандартов и эталонов частоты предприятия «Время Ч» Николай Демидов.
Сердце атомного стандарта – специальный источник, в котором хранится водород. Воздействуя на атомы водорода с помощью электромагнитного поля, получают сигнал. Это видно по ярко-малиновому свечению. Затем водород попадает в кварцевую колбу и излучает квант радиоволны.
Материалы, из которых сделаны атомные часы, включают десятки наименований: железо, серебро и кварц, алюминий и кремний. Такой набор не случаен: все материалы уникальны по природным свойствам и каждый играет свою роль. Совершенно удивительным свойством обладает никель. По словам начальника отделения предприятия «Время Ч», «если никелевую тоненькую пластинку нагреть, то, оказывается, сквозь нее прекрасно проходит водород. И никакие другие газы».
Все детали часов тщательно проверяют, ведь не каждый металл выдержит условия вакуума и космической радиации. Надежность приборов рассчитывают с помощью математических моделей.
Перед сборкой все детали атомных часов проходят многоступенчатую обработку. Сначала металл очищают от грязи, щелочи и жира. Для атомного стандарта высочайшие требования стерильности. Затем температурные испытания от минус 50 до плюс 50. Потом установленный на платформу прибор тестируют в условиях вакуума.
Несколько лет назад нижегородцы выполнили заказ Астрокосмического центра Академии наук. И теперь водородные стандарты частоты работают на спутнике «Спектр-Р2 с телескопом «Радиоастрон». Он уже четыре года изучает в режиме интерферометра «темную энергию» и материю Вселенной.
«Впервые активный стандарт частоты успешно работает в космосе на протяжении уже почти 4-х лет, собственно, благодаря тому, что мы запустили такие точные часы в космос, стабильность их находится на уровне 10-14 секунды или по-человечески они уходят на одну секунду за много миллионов лет», рассказал руководитель научной программы «Радиоастрон» Юрий Ковалёв.
Такой же прибор будет установлен и на аппарате Роскосмоса «Спектр-М» с российским космическим телескопом «Миллиметрон». Главное отличие от «Радиоастрона» – новая космическая обсерватория будет работать в другом диапазоне волн.
«Миллиметрон» увидит, как формируются звезды и экзопланеты. И самое главное – заглянет за краешек черной дыры в центре нашей галактики. Именно там, по мнению ученых, из-за чудовищной силы гравитации время почти останавливается.
Источник