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.

Equivalence Principle – Refutation, Äquivalenzprinzip – Widerlegung, Принцип эквивалентности – Опровержение

Deutsch unten
Русский ниже


Equivalence principle – Experimental Refutation

Einstein could prove theoretically a possible equivalence between gravity and acceleration only for linear acceleration.

In his work in 1907 "On the Relativity Principle and the Conclusions Drawn from It", where the principle of equivalence appeared for the first time, he liked to use the generic word "acceleration," but the calculation concerned only "uniformly accelerated translational motion".

So it was with the derivation of the formula for time dilation. He considered two reference systems: one at rest and one accelerated relative to the first along the x axis. The result was transferred to the reference system in the gravitational field.

Experimental confirmations, however, use the centrifugal acceleration generated by the rotation. Such experiments are about the equivalence of heavy and inert masses. It is often referred to as the "weak equivalence principle".

First measurements took place in the 19th century. With a torsion balance gravity and centrifugal force were compared. Last came from the Earth's rotation.

Modern measurements with the satellites improved the results of that time. The gravitational acceleration was even completely compensated by the centrifugal acceleration.

This is a clear case of generalization, which is very common in theoretical physics. For that, experimental refutation has long been there.

Hafele's experiment is the best-known experiment for the registration of relativistic time dilation. In 1971, the aircraft flew with several atomic clocks on board around the earth, sometimes in one direction, sometimes in the opposite direction.

The measurement result was in accordance with the theory. The speed of the aircraft and the weaker gravitational field at altitude were considered, but not the centrifugal acceleration of the aircraft.

Does the centrifugal acceleration contribute nothing to the time dilation? – Right!

One can also assume that the effect was very small, so it is not mentioned in reports. However, quite large centrifugal acceleration occurs in the particle accelerators.

In 1977 CERN achieved approximately thirty times the lifetime of fast muons. The particles moved in the storage ring with the diameter of fourteen meters.

The centrifugal acceleration was an incredible ten to eighteen g, or a billion billion times the acceleration on the Earth's surface. Nevertheless, no influence of gigantic centrifugal acceleration on the lifetime of the muons was found.

So the physicists have known about it for a long time, but continue like in the 19th century: in the experiments the gravitational acceleration is compensated by the centrifugal acceleration.

But is it possible that the gravitational field has no influence on the clock?

However, there is much experimental evidence for time dilation by gravity. Recently, the measurements were made with a positive result in the Alps using a portable atomic clock.

Let's be clear: The gravitational field slows the clock, the centrifugal acceleration, however, has no effect on the clock. In the meantime, the last one can completely balance out the first, so that Einstein's assumptions concerning the principle of equivalence are completely fulfilled.

To what extent can the frame in the gravitational field and the frame accelerated by the rotation be equivalent? Obviously – not at all!

The experiments demonstrating the equality of heavy and inert masses can not serve as proof of Einstein's equivalence principle. Conversely, they really show how weak, in the direct sense, is the principle of equivalence.

The only hope, even the smallest, is linear acceleration. According to Einstein's calculation, it should certainly cause time dilation. But real evidence is not known.

Otherwise it would have been strange. From the perspective of the orthogonal coordinate system, the rotational motion of a body has stronger acceleration times along the axis x times along the axis y.
 That is, the centrifugal acceleration can be described as a combination of two orthogonal linear accelerations. And there is no time dilation.

In short: the equivalence principle of Einstein is a fiction!

Das Äquivalenzprinzip – Experimentelle Widerlegung

Eine mögliche Äquivalenz zwischen Gravitation und Beschleunigung konnte Einstein nur für lineare Beschleunigung theoretisch belegen.

In seiner Arbeit 1907 "Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen", wo sein Äquivalenzprinzip als Erweiterung des Relativitätsprinzips zum ersten Mal zur Geltung kam, benutzte er zwar gern das allgemeine Wort "Beschleunigung", doch die Rechnung betraf ausschließlich "gleichförmig beschleunigte Translationsbewegung".

So ging es etwa bei der Herleitung der Formel für die Verlangsamung der Zeit. Dort betrachtete er zwei Bezugssysteme: Ein ruhendes und ein relativ zu erstem entlang der Achse x beschleunigtes. Das Resultat wurde auf Bezugssystem im Gravitationsfeld übertragen.

Bei experimentellen Bestätigungen wird jedoch nach der Zentrifugalbeschleunigung gegriffen, die durch die Rotation entsteht. Bei solchen Experimenten geht es um die Äquivalenz schwerer und träger Masse. Sie wird oft als "schwaches Äquivalenzprinzip" bezeichnet.

Erste Messungen fanden schon im 19. Jahrhundert statt. Mit einer Torsionswaage verglich man Schwerkraft und Fliehkraft. Letzte entstand durch die Erdrotation.

Moderne Messungen mit den Satelliten präzisierten die Ergebnisse von damals. Dabei wurde die Gravitationsbeschleunigung durch die Zentrifugalbeschleunigung sogar vollständig ausgeglichen.

Das ist ein klarer Fall der Verallgemeinerung, die in theoretischer Physik sehr wohl verbreitet ist. Dafür ist experimentelle Widerlegung längst da.

Das Experiment von Hafele ist wohl das bekannteste Experiment zum Nachweis relativistischer Zeitdilatation. 1971 flog das Flugzeug mit mehreren Atomuhren an Bord rund um die Erde, mal in eine Richtung, mal in Gegenrichtung.

Das Messergebnis stimmte mit der Theorie überein. Dabei wurden die Geschwindigkeit des Flugzeugs und schwächeres Gravitationsfeld in der Flughöhe berücksichtigt, aber nicht die Zentrifugalbeschleunigung des Flugzeugs.

Trägt die Zentrifugalbeschleunigung zur Verlangsamung der Zeit etwa nichts bei? – Richtig!

Man kann ja auch vermuten, der Effekt sei nun sehr klein gewesen, deshalb wird er in Berichten nicht erwähnt. Recht große Zentrifugalbeschleunigung tritt aber in den Teilchenbeschleunigern auf.

1977 wurde in CERN rund dreißig fache Verlängerung der Lebensdauer von schnellen Myonen erreicht. Die Teilchen bewegten sich im Speicherring auf einer Kreisbahn mit dem Durchmesser von 14 Meter.

Die Zentrifugalbeschleunigung betrug dabei unglaubliche 10^18 g, oder eine Milliarde Milliarden fache der Beschleunigung auf der Erdoberfläche. Nichtsdestotrotz wurde kein Einfluss solch gigantischer Zentrifugalbeschleunigung auf Lebensdauer der Myonen festgestellt.

Die Physiker wissen also Bescheid seit Langem. Trotzdem wird in den Experimenten weiterhin die Gravitationsbeschleunigung durch die Zentrifugalbeschleunigung kompensiert.

Aber kann es sein, dass auch das Gravitationsfeld keinen Einfluss auf Gang der Uhr hat?

Doch, es gibt viele experimentellen Belege für die Zeitdilatation durch Gravitation. Neulich wurden die Messungen mit positivem Ergebnis in Alpen mit Hilfe einer transportablen Atomuhr gemacht.

Halten wir also fest: Das Gravitationsfeld verlangsamt den Gang der Uhr, die Zentrifugalbeschleunigung hat dagegen keinen Einfluss auf den Gang der Uhr. Währenddessen kann letzte das erste vollständig ausgleichen, sodass Einsteins Voraussetzungen, das Äquivalenzprinzip betreffend, ganz erfüllt werden.

Inwiefern können das Bezugssystem im Gravitationsfeld und das durch die Rotation beschleunigte Bezugssystem äquivalent sein? Offensichtlich – gar nicht!

Die Experimente zum Nachweis der Gleichheit schwerer und träger Masse können deshalb nicht als Beleg für Einsteins Äquivalenzprinzip dienen. Umgekehrt, sie zeigen nun wirklich, wie schwach, im direkten Sinne, das Äquivalenzprinzip ist.

Die einzige, auch noch so kleine Hoffnung ist die lineare Beschleunigung. Durch sie bedingte Verlangsamung der Zeit herleitete Einstein aufgrund seines Relativitätsprinzips. Aber realer Nachweis ist nicht bekannt.

Anders wäre es auch seltsam gewesen. Aus der Sicht des orthogonalen Koordinatensystems weist die Rotationsbewegung eines Körpers stärkere Beschleunigung mal entlang der Achse x mal entlang der Achse y auf. Das heißt, die Zentrifugalbeschleunigung kann als Kombination aus zwei orthogonal gerichteten linearen Beschleunigungen beschrieben werden. Und dabei findet keine Verlangsamung der Zeit statt.

Kurzum: Das Äquivalenzprinzip von Einstein ist eine Fiktion!

Принцип эквивалентности – Экспериментальное опровержение

Эйнштейну теоретически удалось обосновать эквиваленцию гравитационного и инерционного ускорения.

В работе 1907-го года "О принципе относительности и его следствиях" он впервые обобщил принцип относительности на гравитацию, что поже получило название принципа эквиваленции. Хотя он в этой работе часто пользовался словом "ускорение", на самом деле его расчёт касался только "равномерно ускоренного поступательного движения".

Так было например при выводе формулы для замедления времени. Эйнштейн рассматривал две системы отсчёта: одна покоящаяся и другая по отношению к ней вдоль координаты икс ускоряемая. Полученный результат он использовал для системы отсчёта в гравитационном поле.

В экспериментах же как правило вместо линейного используется центробежное ускорение. Дело идёт о подтверждении эквивалентности гравитационной и инертной масс. Зачастую её называют "слабым принципом эквивалентности".

Первые измерения были проведены ещё в 19-ом веке. С помощью торсионных весов сравнивались сила притяжения и центробежная сила, которая возникала в результате вращения Земли.

Современные измерения с помощью спутников Земли уточнили результаты тех времён. При этом гравитационное ускорение компенсировалось центробежным ускорением полностью.

 Очевидно мы имеем здесь дело с обобщением, так принятым в теоретической физике. Но здесь кроится и экспериментальное опровержение принципа эквивалентности Эйнштейна.

Хафеле эксперимент является одним из известных экспериментов, подтверждающих релятивисткое замедление времени. В 1971-ом году самолёт с атомными часами на борту облетел Землю в одну и обратную сторону.

Результаты измерения оказались в полном согласии с теорией. При этом учлись как скорость самолёта, так и более слабое гравитационное поле на высоте полёта, но не центробежное ускорение самолёта.

Получается, что центробежное ускорение никак не повлияло на ход часов. Конечно можно предположить, что эффект был настолько малым, что упоминать о нём не сочли нужным. Но весьма большое центробежное ускорение возникает в ускорителях элементарных частиц.

В 1977-ом году в ЦЕРНе было достигнуто почти тридцатикратное увеличение продолжительности жизни мюонов. Частицы двигались в накопительном кольце диаметром четырнадцать метров по круговой орбите с околосветовой скоростью.

Центробежное ускорение составляло невероятные десять в восемнадцатой степени g или миллиард миллиардов земного ускорения. Несмотря на это какое-либо влияние такого гиганского ускорение на продолжительность жизни мюонов не наблюдалось. Об этом было специально упомянуто в конце опубликованной работы.

Таким образом физики знают об этом уже давно. Не смотря на это гравитационное ускорение так и продолжается компенсироваться центробежным.

А может быть и гравитационное поле не влияет на ход часов? – Напротив, существует много экспериментов, подверждающих эффект замедления времени в поле тяжести. Недавно были проведены измерения с помощью мобильных атомных часов в Альпах с положительным результатом.

Итак, подытожим: Гравитационное поле влияет на ход часов, а центробежное ускорение нет. В то же время последнее может полностью скомпенсировать первое, так что полностью выполняются представления Эйнштейна об эквивалентности.

Так насколько могут быть эквивалентны две системы отсчёта, одна в поле гравитации, а другая ускоряемая вращятельным движением? – Да никак!

Таким образом эксперименты, подтверждающие равенство гравитационной и инертной масс, не могут служить одновремено подтверждением принципа эквивалентности Эйнштейна. Даже наоборот, они показывают, как слаб в прямом смысле этого слова этот придуманный принцип.

Единственной надеждой могло бы оказаться линейное ускорение. Им обусловленное замедление времени было выведено Эйнштейном на основе его принципа относительности. Но о реальных измерениях ничего не известно.

А если было бы иначе, то было бы страно. Ибо вращятельное движение может быть легко представлено в ортогональных координатах. То же касается и центробежного ускорения. Его можно описать комбинацией двух перпендикулярных друг к другу линейных ускорений. И опять же нет никакого замедления времени как в поле тяжести.

Другими словами, принцип эквиваленции Эйнштейна является чистой фикцией!