Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Это один из самых частых и, вместе тем, самых правильных, вопросов. Для начала нужно вспомнить об эффекте Доплера.
Представьте, что вы стоите на тротуаре, а навстречу вам с включенной сиреной мчится машина скорой помощи. По мере приближения машины скорой помощи сирена звучит выше. По мере удаления сирена становится тише и меняется её тональность звучания.
Когда машина скорой помощи движется к вам, звуковые волны сжимаются (длина волны короче, частота выше), что делает звук выше. Когда она удаляется, волны как будто растягиваются (длина волны больше, частота ниже), что делает звук ниже.
Теперь давайте заменим машину скорой помощи звездой или галактикой, а вместо звуковых волн рассмотрим световые волны.
Если звезда или галактика движется к нам, ее световые волны сжимаются (длина волны короче, частота выше), смещаясь в сторону синей части спектра. Это называется синим смещением. Если звезда или галактика удаляется, волны растягиваются (длина волны больше, частота меньше), смещаясь в красную часть спектра. Это называется красным смещением.
Когда мы наблюдаем далекие галактики, почти все они кажутся смещенными в красную область спектра, что означает, что они удаляются от нас.
Это было одним из ключевых доказательств того, что Вселенная расширяется — как точки на воздушном шаре, которые растягиваются, когда вы его надуваете. Чем дальше находится галактика, тем больше смещен ее свет в красную область спектра, что говорит нам о том, что она удаляется быстрее. Подобно тому, как сирена скорой помощи меняет высоту звука, свет меняет цвет в зависимости от того, движется ли объект к нам или от нас. Это явление получило практическое применение и я рассказывал про использование такой методики в измерении расстояний.
Теперь плавно переходим к Эйнштейну. Гравитация — это не просто сила, которая притягивает вещи друг к другу, как думал Ньютон. Вместо этого Эйнштейн показал, что массивные объекты искривляют само пространство-время. Эта кривизна влияет на все, включая течение времени.
Представьте, что вы находитесь в космическом корабле, ускоряющемся в глубоком космосе. Если вы проведете луч света от одного конца корабля к другому, ускорение корабля слегка искривит луч вниз (относительно вас). Теперь замените космический корабль гравитацией Земли. Эйнштейн понял, что гравитация и ускорение — это по сути одно и то же (принцип эквивалентности).
Это означает, что время в гравитационном поле должно вести себя аналогично тому, как время ведет себя при ускорении.
По своей сути, принцип эквивалентности утверждает, что гравитационное ускорение и ускорение, вызванное движением, неразличимы. Другими словами, пребывание в гравитационном поле ощущается точно так же, как пребывание в ускоряющемся космическом корабле без гравитации.
Представьте, что вы находитесь в лифте без окон в глубоком космосе.
Возможны два сценария:
- Лифт неподвижен в пространстве, на вас не действуют никакие силы. Если вы уроните яблоко, оно просто будет плавать на месте.
- Лифт ускоряется вверх (скажем, со скоростью 9,8 м/с², как гравитация Земли). Теперь, если вы уроните яблоко, оно упадет на пол с той же скоростью, что и на Земле.
Изнутри вы не можете сказать, находитесь ли вы в гравитационном поле или просто ускоряетесь. Это означает, что гравитация эквивалентна ускорению.
Свободное падение = Невесомость
Теперь представьте себе астронавта внутри космического корабля, падающего на Землю. Астронавт и космический корабль ускоряются к Земле с одинаковой скоростью. Поскольку между ними нет относительной силы, астронавт чувствует себя невесомым как астронавты на МКС.
Вот почему люди, находящиеся в свободном падении или на орбите, испытывают микрогравитацию — они падают, но поскольку все падает одновременно, нет никакой силы, прижимающей их к полу космического корабля.
Поскольку ускорение и гравитация — это одно и то же, Эйнштейн понял, что гравитация также должна влиять на свет.
Если вы находитесь в ускоряющемся космическом корабле и освещаете кабину лучом света, корабль движется по мере прохождения света, поэтому кажется, что луч отклоняется вниз.
Если гравитация — это просто ускорение, то гравитация должна также искривлять свет. Это подтвердилось в 1919 году, когда астрономы наблюдали, как свет звезд огибает Солнце во время солнечного затмения, что стало одним из первых доказательств общей теории относительности.
Физики определяют различные уровни принципа эквивалентности:
Слабый принцип эквивалентности — свободно падающие объекты испытывают невесомость, поскольку они ускоряются одинаково, независимо от массы или состава. (Это было проверено Галилеем с падающими объектами и астронавтами Аполлона-15, бросавшими молоток и перо на Луну.)
Принцип эквивалентности Эйнштейна — ни один эксперимент внутри замкнутой системы не может отличить гравитацию от ускорения. Это включает гравитационное влияние на время (гравитационное замедление времени) и искривление света.
Принцип сильной эквивалентности — распространяет принцип на все законы физики, включая электромагнетизм. (Это все еще обсуждается и проверяется.)
Принцип эквивалентности является основой общей теории относительности, поскольку он говорит нам, что гравитация — это не сила, тянущая вещи вниз, а искривление пространства-времени. Масса и энергия говорят пространству-времени, как изгибаться, а изгибание говорит объектам, как двигаться.
Теперь предположим, что вы находитесь вблизи сильного гравитационного поля, например, поверхности Земли (или вблизи черной дыры). Свет, выходящий из нижней части гравитационного поля (ближе к массивному объекту), должен «вылезти» против гравитации. Это стоит некоторой энергии, поэтому свет смещается в красную область (более низкая частота, более длинная длина волны).
Но поскольку свет всегда движется с постоянной скоростью, что на самом деле меняется?
Тиканье часов на меньшей высоте происходит медленнее. Свет от этих часов достигает наблюдателя в более слабом гравитационном поле, кажущимся «растянутым» — то есть меньше тиков в секунду.
Само время течет медленнее при более сильной гравитации, потому что гравитация деформирует пространство-время таким образом, что оно растягивается. Обратный эффект — время течет быстрее в условиях слабой гравитации
Если вы находитесь выше в более слабом гравитационном поле (например, на вершине горы или на МКС), время идет быстрее относительно того, кто находится на земле. Это происходит потому, что часам в более слабом гравитационном поле не приходится так сильно бороться с гравитацией, поэтому они тикают быстрее.
Спутники GPS вращаются вокруг Земли на больших высотах, где гравитация слабее, поэтому их часы идут быстрее, чем на Земле. Если бы мы не учитывали эту разницу во времени (около 38 микросекунд в день ), местоположения GPS смещались бы на несколько километров в день, что сделало бы любой сервис карт бесполезным.
Вблизи горизонта событий черной дыры гравитационное замедление времени становится экстремальным. Для внешнего наблюдателя время кажется бесконечно замедляющимся по мере приближения к горизонту событий. Если бы вы упали, кто-то издалека увидел бы, что вы застыли во времени. Но с вашей точки зрения вы бы просто упали прямо туда (пока спагетификация не настигнет вас, но это уже другая история).
Поделись видео: