Relativity and Time dilation, Relativitätstheorie und Zeitdilatation, Теория относительности и замедление времени

Deutsch unten
Русский ниже


Relativity and reality of time dilation

Einstein described in a famous work "On the Electrodynamics of Moving Bodies" a special consequence of his principle of relativity, which was later called the "twin paradox". Paradox is here really nothing. He merely showed that a clock at the equator would be slower than a clock of the same design at the earth's pole.

Basically it was a theorem. Einstein's proof was more intuitive. For more detailed analysis, he later resorted to general relativity.

Time dilation in special relativity is mutual. If two observers move relative to each other, each of them can claim that the other observer's clock is slower than his own.

This seems obvious when one thinks about relativity. But then Einstein's theorem comes out:

"If one of two synchronous clocks at A is moved in a closed curve with constant velocity until it returns to A, then by the clock which has remained at rest the travelled clock on its arrival at A will be slow."

The importance of this theorem for the theory of relativity can never be overestimated: first in this case time dilation becomes reality.

Therefore experimental results are interpreted according to this scheme. For example, the decay of fast muons. In the thought one imagines an observer standing near the storage ring. After each orbit, the particles return to this observer over and over again and so countless times. In this way, real deceleration of decay occurs despite mutual time dilation.

The closed routes are therefore an important part of the experiments. Then nature seems to function exactly according to relativistic laws and there is no conflict with the mutuality of time dilation.

In reality, however, it is easier, that is even in the case when two observers move only relativ to each other. Except for mutual time dilation nothing would be expected here. But in 1938 the researchers Ives and Stilwell were able to observe real time dilation even under these conditions.

They measured the own oscillations of the rapidly moving hydrogen atoms. The frequency of these oscillations was smaller than that of the resting atoms. Oscillating atoms can be thought of as ticking clocks. In other words, moving clocks ticked rare, so they went slower. It was undoubtedly time dilation.

This experiment is presented as a confirmation of special theory of relativity. But here the time dilation was noted immediately and in one place during the flyby. The experiment of Ives and Stilwell therefore proves the ether theory, where time dilation is always real.



Relativitätstheorie und Realität der Zeitdilatation

Einstein beschrieb in berühmter Arbeit "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" eine besondere Konsequenz aus seinem Relativitätsprinzip, das später den Namen "Zwillingsparadoxon" bekam. Paradox ist hier eigentlich nichts. Er zeigte lediglich, dass eine Uhr am Äquator langsamer gehen würde, als baugleiche Uhr am Erdpol.

Im Grunde genommen handelte es sich dabei um ein Theorem. Einsteins Beweis trug aber damals mehr oder weniger intuitiven Charakter. Später griff er schon, wohl verzweifelt, zu härteren Mitteln allgemeiner Relativitätstheorie.

Die Zeitdilatation in spezieller Relativitätstheorie ist gegenseitig. Bewegen sich zwei Beobachter relativ zueinander, kann jeder von ihnen behaupten, dass die Uhr des anderen Beobachters langsamer geht als seine eigene.

Dies erscheint selbstverständlich, wenn man gleichzeitig über die Relativität nachdenkt. Doch danach rückt Einsteins Theorem aus:

"Befinden sich in A zwei synchron gehende Uhren und bewegt man die eine derselben auf einer geschlossenen Kurve mit konstanter Geschwindigkeit, bis sie wieder nach A zurückkommt, so geht die letztere Uhr bei ihrer Ankunft in A gegenüber der unbewegt gebliebenen nach."

Die Bedeutung dieses Satzes für die Relativitätstheorie kann man nie überschätzen: Erst in diesem Fall wird die Verlangsamung der Zeit zur Realität.

Deshalb wird nach diesem Muster experimentelle Befunde ausgelegt. Zum Beispiel, der Zerfall schneller Myonen. Im Gedanken fixiert man einen Beobachter neben dem Speicherring. Nach jeder Umrundung kehren die Teilchen immer wieder zu diesem Beobachter zurück und so unzählige Male. Auf diese Weise ergibt sich reale Verlangsamung des Zerfalls, trotz gegenseitiger Zeitdilatation.

Geschlossene Bahnen sind also ein wichtiger Bestandsteil der durchgeführten Experimente. Dann scheint die Natur exakt nach relativistischen Gesetzen zu funktionieren und es kommt nicht zum Konflikt mit Gegenseitigkeit der Zeitdilatation.

In Wirklichkeit geht es aber einfacher, das heißt auch im Falle, wenn sich zwei Beobachter relativ zueinander gleichmäßig geradlinig bewegen. Außer scheinbarer gegenseitiger Zeitdilatation wäre es hier eigentlich nichts zu erwarten. Doch 1938 konnten die Forscher Ives und Stilwell auch unter diesen Bedingungen reale Zeitdilatation beobachten.

Sie maßen eigene Oszillationen der schnell bewegten Wasserstoffatome. Die Frequenz dieser Oszillationen war kleiner als bei ruhenden Atomen. Oszillierende Atome kann man sich als tickende Uhren vorstellen. Das heißt, bewegte Uhren tickten seltener also gingen langsamer. Es handelte sich ohne Zweifel um die Zeitdilatation.

Dieses Experiment wird als Bestätigung für spezielle Relativitätstheorie dargestellt. Aber hier wurde kleinere Eigenfrequenz bewegter Atome, sprich die Verlangsamung der Zeit, sofort und an einem Ort währen des Vorbeifluges festgestellt. In diesem Fall gilt in der Relativitätstheorie scheinbare gegenseitige Zeitdilatation. Das Experiment von Ives und Stilwell belegt deshalb eher die Äthertheorie, wo die Zeitdilatation immer real ist.

 Теория относительности и реальность замедления времени

 В своей знаменитой работе "К электродинамике движущихся тел" Эйнштейн описал особое следствие из его принципа относительности, которое поже получило название "парадокса близнецов". Парадоксального здесь вообщем-то ничего нет. Он просто показал логическим путём, что часы на экваторе должны идти медленее, чем на одном из земных полюсов.

По-сути мы имеем здесь дело с теоремой. Однако доказательство Эйнштейна носило тогда в большей мере интуитивный характер. Поже он был вынужден обратиться к помощи общей теории относительности.

Замедление времени в специальной теории относительности взаимно. Двигаются два наблюдателя по отношению друг к другу, то каждый из них может утверждать, что часы другого идут медленее, чем его собственные.

Это выглядит вполне логичным, если при этом думать о принципе относительности. Однако тут же всплывает теорема:

"Если в точке А находятся двое синхронно идущих часов и мы перемещаем одно из них по замкнутой кривой с постоянной скоростью до тех пор, пока они не вернутся в А, то эти часы по прибытии в А будут отставать по сравнению с часами, остававшимися неподвижными."

Значение этой теоремы для теории относительности нельзя переоценить: в этом случае замедление времение становится реальностью. Поэтому по этой схеме интерпретируются результаты экспериментов. Например, распад быстрых мюонов. Мыслено фиксируется наблюдатель рядом с накопительным кольцом. Вращаясь по накопетельному кольцу мюоны постояно возвращаются к этому наблюдателю и так много раз. Таким образом в точности по теореме Эйнштейна происходит реальное замедление времени, мюоны распадаются медленее, несмотря на взаимность эффекта замедления времени.

Замкнутые пути являются поэтому неотемлемой частью проводимых экспериментов. В этом случае создаётся впечатление, что природа функционирует по законам теории относительности, и дело не доходит до конфликта с взаимностью замедления времени.

На практике нет никакой необходимости в такой замысловатой процедуре. Замедление времени регистрируется и в том случае, когда два наблюдателя двигаются равномерно по отношению друг к другу, т.е. и тогда, когда в рамках теории относительности ничего кроме как взаимного кажущегося замедления времени не ожидается.

В 1938-ом году исследователи Айвс и Стилвелл измерили собственные осциляции быстро двигающихся атомов водорода. Частота оказалась меньше, чем у покоющихся атомов. Без сомнения речь шла о реальном замедлении времени.

Хотя этот эксперимент преподносится как подтверждение специальной теории относительности, на самом деле здесь нет замкнутых траекторий, атомы двигались свободно в одном направлении, уменьшение собственной частоты определялось через длину волны спектрометром, то есть мгновено.

В этом смысле эксперимент Айвса и Стилвелла подтверждает в большей мере теорию эфира Лоренца, чем теорию относительности Эйнштейна.