Просмотр кода страницы Гравитационное замедление времени

{{ОТО}}
{{длинная преамбула|дата=2023-09-09}}
'''Гравитационное замедление времени''' — форма [[Замедление времени|замедления времени]], фактическая разница прошедшего времени между двумя событиями, измеренная наблюдателями, находящимися на разных расстояниях от гравитирующей массы. Чем ниже гравитационный потенциал (чем ближе часы к источнику гравитации), тем медленнее течёт время, ускоряющееся с увеличением гравитационного потенциала (часы удаляются от источника гравитации). [[Альберт Эйнштейн]] первоначально предсказал этот эффект в своей теории относительности, и с тех пор он был подтвержден тестами [[Общая теория относительности|общей теории относительности]]<ref>{{книга |заглавие= Relativity : the Special and General Theory by Albert Einstein |издательство= [[Проект «Гутенберг»|Project Gutenberg]] |ссылка= https://www.gutenberg.org/etext/5001 |ref= Einstein |язык= en |автор= Einstein, A. |месяц= 2 |год= 2004 |archivedate= 2010-07-06 |archiveurl= https://web.archive.org/web/20100706053844/https://www.gutenberg.org/etext/5001 }}</ref>.

Было продемонстрировано, что [[атомные часы]] на разных высотах (и, следовательно, в точках с различным гравитационным потенциалом) будут показывать разные времена. Эффекты, обнаруженные в таких наземных экспериментах, чрезвычайно малы, а различия измеряются в [[наносекунда]]х. Относительно [[Возраст Земли|возраста Земли]] в 4,54 миллиарда лет [[ядро Земли]] фактически на 2,5 года моложе (поскольку в центре земли гравитационный потенциал больше, чем на её поверхности)<ref>{{статья |заглавие= The young centre of the Earth |издание=[[European Journal of Physics]] |том= 37 |номер= 3 |страницы= 035602 |doi= 10.1088/0143-0807/37/3/035602 |arxiv= 1604.05507 |bibcode= 2016EJPh...37c5602U |язык=en |автор= Uggerhøj, U I; Mikkelsen, R E; Faye, J. |год= 2016 |тип= journal}}</ref>. Демонстрация бо́льших эффектов потребует бо́льших расстояний от Земли или большего гравитационного источника.

Гравитационное замедление времени впервые было описано Альбертом Эйнштейном в 1907 году<ref>A. Einstein, «Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen», Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik 4, 411—462 (1907); English translation, in «On the relativity principle and the conclusions drawn from it», in «The Collected Papers», v.2, 433—484 (1989); also in H M Schwartz, «Einstein’s comprehensive 1907 essay on relativity, part I», American Journal of Physics vol.45,no.6 (1977) pp.512-517; Part II in American Journal of Physics vol.45 no.9 (1977), pp.811-817; Part III in American Journal of Physics vol.45 no.10 (1977), pp.899-902, см. [http://hermes.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Einstein_1907_Jahrbuch.pdf I, II и III части] {{Wayback|url=http://hermes.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Einstein_1907_Jahrbuch.pdf |date=20201128180200 }}.</ref> как следствие [[Специальная теория относительности|специальной теории относительности]] в ускоренных системах отсчёта. В общей теории относительности считается разницей в прохождении собственного времени в разных положениях, описываемых [[метрический тензор|метрическим тензором пространства-времени]]. Существование гравитационного замедления времени было впервые подтверждено непосредственно [[Эксперимент Паунда и Ребки|экспериментом Паунда и Ребки]] в 1959 году.

При использовании формул общей теории относительности для расчёта изменения энергии и частоты сигнала (при условии, что мы пренебрегаем эффектами зависимости от траектории, вызванными, например, [[Увлечение инерциальных систем отсчёта|увлечением пространства]] вокруг вращающейся [[чёрная дыра|чёрной дыры]]) гравитационное красное смещение в точности обратно величине фиолетового смещения. Таким образом, наблюдаемое изменение частоты соответствует относительной разности скорости хода часов в точках приёма и передачи.

В то время как гравитационное красное смещение измеряет наблюдаемый эффект, гравитационное замедление времени говорит, что можно заключить ''на основании'' результатов наблюдения. То есть, говоря иными словами: измеряя единое красное/фиолетовое смещение для любого способа посылки сигналов «оттуда» — «сюда», мы приходим к выводу, что одинаковые с нашими часы '''там''' идут «как-то не так», быстрее или медленнее.

Для ''статического'' гравитационного поля, [[гравитационное красное смещение]] можно полностью объяснить разностью темпа хода времени в точках с различным гравитационным потенциалом. Процитируем Вольфганга Паули: «В случае статического гравитационного поля всегда можно так выбрать временную координату, чтобы величины {{math|''g<sub>ik</sub>''}} от неё не зависели. Тогда число волн светового луча между двумя точками P1 и P2 также будет независимым от времени и, следовательно, частота света в луче, измеренная в заданной шкале времени, будет одинаковой в P1 и P2 и, таким образом, независимой от места наблюдения.»

Однако согласно современной [[метрология|метрологии]] время определяют локально для произвольной [[мировая линия|мировой линии]] наблюдателя (в частном случае — для одной и той же точки пространства с течением времени) через тождественные [[атомные часы]] (см. определение [[секунда|секунды]]). При таком определении времени темп хода часов строго задан и будет различаться от линии к линии (от точки к точке), в результате чего имеющаяся разность частот, например, в опыте Паунда — Ребки, или красное смещение спектральных линий, излучённых с поверхности Солнца или нейтронных звёзд, находит своё объяснение в разности темпа хода физического времени (измеряемого стандартными атомными часами) между точками излучения и приёма. В самом деле, так как [[скорость света]] считается постоянной величиной, то длина волны жёстко связана с частотой <math>\lambda=cT=c/\nu </math>, поэтому изменение длины волны равносильно изменению частоты и обратно.

Если в некоторой точке излучаются, например, сферические вспышки света, то в любом месте в области с гравитационным полем координатные «временные» интервалы между вспышками можно сделать одинаковыми — путём соответствующего выбора ''временной координаты''. Реальное же изменение ''измеряемого'' временного интервала определяется разностью темпа хода стандартных тождественных часов между мировыми линиями излучения и приёма. При этом в статическом случае абсолютно неважно, чем конкретно ведётся передача сигналов: световыми вспышками, горбами электромагнитных волн, акустическими сигналами, пулями или бандеролями по почте — все способы передачи будут испытывать абсолютно одинаковое «красное/фиолетовое смещение»<ref>Мария-Антуанетта Тонела. «Частоты в общей теории относительности. Теоретические определения и экспериментальные проверки.» // Эйнштейновский сборник 1967 / Отв. ред. И. Е. Тамм и Г. И. Наан. — М.: Наука, 1967. — С. 175−214.</ref>.

В нестационарном же случае вообще точным и инвариантным образом отделить «гравитационное» смещение от «доплеровского» невозможно, как например, в случае [[Расширение Вселенной|расширения Вселенной]]. Эти эффекты — одной природы, и описываются общей теорией относительности единым образом. Некоторое усложнение явления красного смещения для электромагнитного излучения возникает при учёте нетривиального распространения излучения в гравитационном поле (эффекты динамического изменения геометрии, отклонений от [[Геометрическая оптика|геометрической оптики]], существования [[Гравитационная линза|гравитационного линзирования]], [[гравимагнетизм]]а, [[Увлечение инерциальных систем отсчёта|увлечения пространства]] и так далее, которые делают величину смещения зависящей от траектории распространения света), но эти тонкости не должны затенять исходной простой идеи: скорость хода часов зависит от их положения в пространстве и времени.

В ньютоновской механике объяснение гравитационного красного смещения принципиально возможно — опять-таки через введение влияния гравитационного потенциала на ход часов, но это очень сложно и непрозрачно с концептуальной точки зрения. Распространённый способ выведения красного смещения как перехода кинетической энергии света <math>E = \hbar \omega</math> в потенциальную в самой основе апеллирует к теории относительности и не может рассматриваться как правильный<ref>''Окунь Л. Б., Селиванов К. Г., Телегди В. Л.'' «Гравитация, фотоны, часы». [[Успехи физических наук|УФН]], 1999, том 169, № 10, с. 1141—1147.</ref>. В эйнштейновской теории гравитации красное смещение объясняется самим гравитационным потенциалом: это не что иное, как проявление геометрии пространства-времени, связанной с относительностью темпа хода физического времени.

== Измерения ==
Гравитационное красное смещение пытались замерить{{когда}} с помощью пары точных часов, расположенных на расстоянии от 30 см друг от друга, но сложности с синхронизацией и отсутствие уверенной точности не позволяли подтвердить теорию с высокой степенью доверия к результату.

В 2022 г. учёные [[Объединённый институт лабораторной астрофизики|JILA]] (Объединённый институт лабораторной астрофизики, США) разделили сотни тысяч атомов [[Стронций|стронция]] на «блинообразные» капли из 30 атомов. С помощью особого оптического метода из таких «блинов» была собрана вертикальная стопка высотой 1 мм. Полученный стек был облучён лазером и рассеянный свет измерен высокоскоростной камерой. Поскольку атомы были расположены вертикально, гравитация Земли вызывала сдвиг частоты колебаний в каждой группе на разную величину <!-- Исследователям удалось настолько улучшить точность измерений, что--> и была обнаружена разница между временем верхней части «стопки» и нижней. Выяснилось, что в верхней части время отставало от самой нижней на 10<sup>−19</sup> <!-- (10 в минус 19-й степени)--> долей секунды<ref>[https://profile.ru/news/scitech/ejnshtejn-byl-prav-zamedlenie-vremeni-izmerili-na-samyh-tochnyh-atomnyh-chasah-1020991/ Эйнштейн был прав: замедление времени измерили на самых точных атомных часах] {{Wayback|url=https://profile.ru/news/scitech/ejnshtejn-byl-prav-zamedlenie-vremeni-izmerili-na-samyh-tochnyh-atomnyh-chasah-1020991/ |date=20220218225543 }} // 17.02.2022</ref><ref>[https://hi-tech.mail.ru/news/57020-fiziki-izmerili-gravitacionnoe-iskrivlenie-vremeni-s-tochnostyu-do-millimetra/ Физики измерили гравитационное искривление времени с точностью до миллиметра] {{Wayback|url=https://hi-tech.mail.ru/news/57020-fiziki-izmerili-gravitacionnoe-iskrivlenie-vremeni-s-tochnostyu-do-millimetra/|date=20220218225544}} [https://lenta.ru/news/2022/02/18/slowtime/] {{Wayback|url=https://lenta.ru/news/2022/02/18/slowtime/|date=20220218225542}} // 17.02.2022</ref>.

== См. также ==
* [[Гравитационное красное смещение]]
* [[Эксперимент Хафеле — Китинга]]
* [[Парадокс близнецов]]
* {{iw|Барицентрическое координатное время||en|Barycentric Coordinate Time}}

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
* {{cite book |first1= Øyvind |last1= Grøn |first2= Arne |last2= Næss |date= 2011 |title= Einstein's Theory: A Rigorous Introduction for the Mathematically Untrained |publisher= Springer |url= https://www.springer.com/us/book/9781461407058 |isbn= 9781461407058 }}

{{Единицы измерения и стандарты времени}}

[[Категория:Гравитация|Замедление времени]]
[[Категория:Релятивистские и гравитационные явления]]
[[Категория:Время]]
[[Категория:Теория относительности]]