Die spezielle Relativitätstheorie (lassen wir GR vorerst beiseite) ist notorisch unintuitiv - Generationen von Physikstudenten haben dies zu ihren Lasten gefunden, also sind Sie bei weitem nicht allein. Es gibt also keine einfache intuitiv klare Erklärung darüber, was vor sich geht. Das heißt, ich werde versuchen, eine quasi-intuitive Erklärung zu finden.

Ich denke, der Fehler, den Schüler machen, besteht darin, die Zeitdilatation isoliert zu nehmen. Man kann sich leicht vorstellen, dass es sich um ein Phänomen namens Zeitdilatation handelt : Was verursacht es? Was tatsächlich passiert, ist, dass verschiedene Beobachter sich darüber uneins sind, was Raum und was Zeit ausmacht, und die Zeitdilatation ist nur ein Teil eines größeren Phänomens.

Während ich hier an meiner Tastatur sitze, bewege ich mich nicht im Raum, sondern in der Zeit. Also für einige Aktivitäten (z. B. von Anfang bis Ende, wenn ich diesen Satz tippe) meine$\Delta x = 0$und meine$\Delta t = T$für einige Zeit$T$. Aber der käferäugige Alien, der gerade vorbeigezoomt ist$0.9c$widerspricht. Der Außerirdische, der an seiner eigenen Schreibmaschine sitzt, sieht, wie ich mich bewege$-0.9c$, also sieht der Außerirdische zwischen Beginn und Ende meines Satzes, dass ich mich ein Stück weit bewegt habe$\Delta x = d$. Aber in SR sind Raum und Zeit miteinander verbunden, also misst der Außerirdische etwas anderes$\Delta x$sie müssen auch anders messen$\Delta t$. Die beiden sind durch die Beziehung verbunden:

wo die ungestrichenen$t$und$x$sind, was ich messe und die grundiert$t'$und$x'$sind, was die Alien-Maßnahmen sind. Auch ohne Nachrechnen sollte klar sein, dass weil$\Delta x < \Delta x'$es folgt dem$\Delta t < \Delta t'$. Mit anderen Worten, wenn der Außerirdische misst, wie lange ich brauche, um den Satz zu tippen, misst er länger als ich. Für den Außerirdischen wurde meine Zeit erweitert.

Sie haben wahrscheinlich auch schon von der Längenkontraktion gehört . Nun, das ist die andere Seite der Medaille. Zeitdilatation und Längenkontraktion treten immer zusammen auf, weil tatsächlich ein Teil der Zeit in Länge umgewandelt wird und umgekehrt.

All dies folgt aus einer fundamentalen Symmetrie namens Lorentz-Invarianz . Dies besagt, dass, wenn wir eine Eigenschaft messen, die als Linienintervall bezeichnet und definiert wird durch:

dann die Menge$ds^2$ist eine Invariante und alle Beobachter werden den gleichen Wert dafür messen. Um die obige Gleichung zu erhalten, verknüpfen Sie meine$(t, x)$mit dem Alien$(t', x')$Ich habe diese Invarianz einfach ausgenutzt, um das zu fordern$ds^2 = ds'^2$.

Alles sehr gut, aber ich habe die Nicht-Intuitive wirklich nur eine Stufe weiter nach unten geschoben, da meine Erklärung von Lorentz-Invarianz ausgeht und diese wiederum nicht-intuitiv ist. Hoffentlich können Sie so etwas in den Griff bekommen, was vor sich geht.

Erstens ist die Zeitdilatation für Beobachter in gleichförmiger Relativbewegung symmetrisch: A beobachtet, dass die Uhr von B langsam läuft; B beobachtet, dass die Uhr von A langsam läuft.

Zweitens ist die Situation für Szenarien vom Typ "Zwillingsparadoxon" nicht symmetrisch. Wenn Sie mit 50 % der Lichtgeschwindigkeit von der Erde nach außen reisen und dann zurückkehren , ist Ihre Weltlinie zwischen den beiden Ereignissen (ein Ereignis ist Ihr Verlassen, das andere Ereignis Ihre Rückkehr) ein ganz anderer Weg durch die Raumzeit als auf der Erde.

Aber es ist ein elementares Ergebnis von SR, dass der möglichst gerade Weg zwischen zwei Ereignissen in der Raumzeit die längste verstrichene Zeit hat . Jeder andere Pfad hat weniger verstrichene Zeit.

Ich finde keine gute Erklärung dafür.

Dies ist ein bekanntes, gut verstandenes Ergebnis, das (1) hier viele Male erklärt wurde, (2) in vielen guten und weniger guten Lehrbüchern erklärt wurde und (3) auf viele Arten und an vielen Stellen online erklärt wurde.

Meine Frage an Sie ist: Was genau ist bei all diesen Erklärungen, die Ihnen zur Verfügung stehen, nicht klar oder nicht "gut"?

Ihre 3 Punkte mögen richtig sein, aber jede Erklärung, die ich finde, reicht für einen gewöhnlichen Mann wie mich nicht aus, um sie zu verstehen. Ich hatte gehofft , dass hier jemand besser unterrichten kann .

Und Lehrer hoffen (verzweifeln sogar) oft auf Schüler mit dem Wunsch, zu lernen, anstatt nur belehrt zu werden . Ein Lehrer kann das Lernen nur anleiten .

Hier ist eine einfache Animation, die die Zeitdilatation aufgrund von Bewegung zeigt. Es ist aus dieser Online-Erklärung :

Alles, was erforderlich ist, um die Zeitdilatation aufgrund gleichförmiger Bewegung intuitiv zu erfassen, ist

(1) Nach Maßgabe (Postulat) messen alle gleichförmig bewegten Beobachter die gleiche Geschwindigkeit c für Licht und

(2) die Distanz, die das Licht für die bewegte Lichtuhr zurücklegt, ist länger als die Distanz, die das Licht für die stationäre Lichtuhr zurücklegt.

Sind Sie einverstanden?

Ein Effekt im Zusammenhang mit der Zeitdilatation ist die Längenkontraktion - Objekte, die sich in eine bestimmte Richtung bewegen, werden in ihrer Bewegungsrichtung verkürzt.

Der erste, der auf diese Idee kam, war Fitzgerald, und er tat es 1889 – 16 Jahre bevor Einstein über die spezielle Relativitätstheorie veröffentlichte. Zuerst hatten sie keine gute Vorstellung davon, warum sich die Dinge zusammenziehen sollten. Sie haben gerade bemerkt, dass, wenn sich die Dinge zusammenziehen, einige rätselhafte experimentelle Ergebnisse über Licht und Interferometer erklärt werden. Also fingen die Leute an zu versuchen, den Grund dafür zu finden, warum sich die Dinge zusammenziehen – wenn sie sich zusammenziehen, was treibt sie an? Lorentz, Heaviside, Poincare und wahrscheinlich einige andere haben eine Theorie entwickelt, die auf der Idee des Äthers basiert – dem hypothetischen Medium, durch das sich Licht ausbreitet. Sie dachten, dass die Kräfte, die Atome zusammenhalten, so wirken, dass alles physisch zusammengedrückt wird, wenn man sich durch den Äther bewegt. (Ich persönlich kenne die Details dieser Theorie nicht;

Einsteins Theorie zeigte, dass nichts dergleichen passiert. Die Dinge werden überhaupt nicht von Ätherwinden zermalmt. Tatsächlich gibt es keinen Äther und keine Bewegung im absoluten Sinne.

Stattdessen haben in der Relativitätstheorie verschiedene Menschen einfach unterschiedliche Bezugsrahmen, und Messungen in einem Bezugsrahmen werden nicht naiv in einen anderen Bezugsrahmen umgewandelt.

Das Lehrbuch von Taylor und Wheeler verwendet die Analogie von zwei Landvermessern, von denen einer das Land auf der Grundlage des magnetischen Nordens misst und der andere den geografischen Norden verwendet. Sie werden Ihnen unterschiedliche Zahlen darüber nennen, wie weit sich Ihr Land in Ost-West- und Nord-Süd-Richtung erstreckt, da sie unterschiedliche Koordinatensysteme haben, die auf ihren unterschiedlichen (gedrehten) Bezugsrahmen basieren. Nur so in der Relativität. In verschiedenen Bezugsrahmen erhalten Sie unterschiedliche Zahlen für die Entfernung und Zeit zwischen verschiedenen Punkten in der Raumzeit, ebenso wie die Vermessungsingenieure unterschiedliche Ost-West- und Nord-Süd-Koordinaten erhalten. Diese unterschiedlichen Raum- und Zeitkoordinaten bedeuten, dass wir in unterschiedlichen Referenzrahmen unterschiedliche Dauern und Längen beobachten. Aber es ist kein dynamischer Effekt. Es gibt keine Geschwindigkeitsgremlins, die aus dem Quantenschaum herausspringen und Uhrzeiger durch Melasse laufen lassen. Es ist reine Kinematik.

Okay, aber warum sollten Beobachter in verschiedenen Frames unterschiedliche Koordinaten für Raum und Zeit haben? Warum sollten nicht alle sagen, die Zeiten sind alle gleich? Nun, warum sollten sie das Gegenteil tun? Warum sollte Zeit etwas Besonderes, Absolutes sein, das für alle gleich ist? Das Natürliche, was die meisten Menschen im Sinn haben, ist, dass die Zeit eine Art Standardzustand hat, so dass sie für alle gleich schnell vergeht, und wenn Sie das ändern wollen, brauchen Sie eine spezielle Vortex-Realität -Verzerrender Star Trek-Effekt, um hereinzukommen und ihn zu verlangsamen. Die spezielle Relativitätstheorie zu lernen bedeutet, diese Voreingenommenheit loszulassen.

Was die Natur tut, hat nichts mit der Befriedigung unserer Intuition zu tun. Es geht nur darum, Regeln zu befolgen. Die zentrale Regel der Relativitätstheorie ist die Idee, dass die gesamte Physik gleich ist, unabhängig von Ihrer Geschwindigkeit, und dass sich alle Raum- und Zeitkoordinaten beim Wechseln zwischen Referenzrahmen ineinander verwandeln, sodass sich Entfernungen und Dauer ändern. Dafür gibt es keine wirkliche Begründung. Es ist nur die Regel, der wir die Natur zu folgen gefunden haben. Es geschieht nicht durch einen bestimmten Mechanismus einer riesigen Schere, die die Raumzeit aufschneidet und dafür sorgt, dass alle Messwerte unterschiedlich ausfallen. Es ist nur eine Hypothese, dass sich Koordinaten auf diese Weise transformieren.

Diese Hypothese kann sicherlich auf viele verschiedene Arten formuliert werden. Die meisten einführenden Lehrbücher gehen davon aus, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, und leiten daraus ab, wie die Transformationen funktionieren müssen. Oder Sie können es als Hypothese nehmen, dass das Raumzeitintervall zwischen Ereignissen unveränderlich ist, und daraus die Transformationsregeln erarbeiten. (Dies ist, was die Antworten von John und Alfred tun.) Es spielt jedoch keine Rolle. Irgendwann nehmen Sie es einfach als Hypothese, dass die Raumzeit so funktioniert, und wir haben akzeptiert, dass es in der Physik nichts gibt, was der anthropozentrischen Idee entspricht, "es geschehen zu lassen".

Ich bin mir nicht sicher, ob Sie immer noch nach einer Erklärung dazu suchen, da dies vor 4 Monaten gepostet wurde.

Die von Alfred Centauri gepostete Animation ist ein großartiges Beispiel. Tatsächlich ist dies die Illustration, die Einstein in seinem Gedankenexperiment verwendet hat. Wenn Sie den Lichtstrahl betrachten, stellen Sie sich vor, dass Sie jedes Mal, wenn der Lichtstrahl eine Seite (Spiegel oder Ursprung/Blitzlicht) erreicht, einen Tick auf der Uhr haben. Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant.

Die Lichtgeschwindigkeit ist beim Hin- und Hergehen im Labor gleich. Jetzt ist die Lichtgeschwindigkeit auch im Inneren der Rakete gleich, nur dass hier die Geschwindigkeit des Lichtstrahls in Richtung des in der Animation eingezeichneten Pfades verläuft. Durch die Bewegung der Rakete wird der Lichtstrahl um einen bestimmten Winkel abgelenkt. Jetzt wird die Geschwindigkeit des Lichtstrahls zwischen einer vertikalen und einer horizontalen Bewegung "geteilt". Da ein Teil der Geschwindigkeit des Lichtstrahls verwendet wird, um sich horizontal fortzubewegen, muss ein Teil dieser Geschwindigkeit von der vertikalen Geschwindigkeit "weggenommen" werden.

Die Geschwindigkeit des Lichtstrahls in der Rakete hat jetzt zwei Komponenten. Eine Komponente in horizontaler Richtung und eine Komponente in vertikaler Richtung. Da die Gesamtgeschwindigkeit zwischen horizontal und vertikal "geteilt" werden muss, ist die vertikale Geschwindigkeitskomponente jetzt kleiner, da sie zur horizontalen Geschwindigkeit addiert werden muss. Der Betrag des Fortschritts, den der Lichtstrahl auf dem Weg zum Spiegel macht, wird subtrahiert oder weggenommen. Denken Sie daran, jedes Mal, wenn der Lichtstrahl eine der beiden Seiten des Labors (oder der Rakete) erreicht, ist es ein Tick auf der Uhr. Die vertikale Position des Lichtstrahls entlang des Labors/oder der Rakete ist gleichbedeutend mit dem Vergehen der Zeit. Wenn Sie sich also die Animation ansehen, vergleichen Sie die vertikale Position des Lichtstrahls im Labor mit der vertikalen Position des Lichtstrahls in der Rakete. Der Strahl Die vertikale Position im Labor ist immer größer als die vertikale Position des Lichtstrahls in der Rakete. Das bedeutet, dass die Zeit, die im Labor vergangen ist, größer ist als die Zeit, die in der Rakete vergangen ist. Wie können wir diesen Schluss ziehen, wenn wir nur die Position des Lichtstrahls betrachten? Nun, Zeit

Ich habe auch lange gebraucht, um herauszufinden, hier sind einige Dinge, die die ganze Idee viel einfacher gemacht haben. Dies verwirft für einen Moment Bezugsrahmen, um Dinge in der Newtonschen Physik verständlich zu machen

Die Zeit verlangsamt sich nicht wirklich. Es ist nur so, dass die Zeit in irgendeiner Weise, die wir möglicherweise messen können, langsamer wird. Da die beiden Ideen für die Physik gleich sind, nennen wir es einfach Zeitverlangsamung.

Wenn wir also aufhören, Zeit nach irgendeiner göttlichen Methode zu messen, und anfangen, über Zeit nachzudenken, wie sie wahrgenommen wird, können wir an die Tatsache denken, dass wir Zeit anhand von Ereignissen messen. Zum Beispiel das Ticken einer Uhr oder der radioaktive Zerfall eines Teilchens. Wenn sich also alle Ereignisse verlangsamen würden, würden wir es Zeitverlangsamung nennen.

Stellen wir uns nun etwas vor, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Das bedeutet, dass alle Teile davon mit Lichtgeschwindigkeit reisen. Stellen wir uns nun vor, es sei eine mechanische Uhr. Eine mechanische Uhr hat bewegliche Teile, um die Zeit im Auge zu behalten. Das Problem ist, dass sich keines dieser Teile bewegen könnte. Wenn einer von ihnen das tun würde, würde ein Teil der Uhr die Lichtgeschwindigkeit überschreiten. Da dies nicht passieren kann, ist die Uhr vollkommen stationär in ihrem eigenen Rahmen und "die Zeit vergeht nicht". Unser radioaktives Teilchen würde auf die gleiche Weise betroffen sein.

Um der unmöglichen Situation zu entkommen, können wir zu den 50 % zurückkehren. Zu diesem Zeitpunkt können Objekte nur noch die Hälfte ihrer Bewegung Ereignissen und die andere Hälfte Reisen widmen. Dadurch entsteht die wahrgenommene Verlangsamung

Bei sehr hoher Geschwindigkeit wird die Zeit in Bezug auf einen Beobachter erweitert. Die Lichtgeschwindigkeit bleibt konstant, aber da die Entfernung, die das Licht zurücklegen muss, zunimmt, ist die Zeit, die es braucht, um beispielsweise von einem Punkt A zu einem Punkt B zu reisen, länger, als wenn es relativ zum Beobachter stationär wäre.

Zeitverschiebung ist ein sehr einfaches Phänomen. Zeitverzögerung tritt auf, weil die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter in denselben Medien gleich ist. Daher ändert sich die vom Beobachter erfahrene Zeitrate in Bezug auf Objekte, die sich aufgrund von zwei Ereignissen in der Raumzeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen mit unterschiedlichem Zeitursprung in Bezug aufeinander stimmen niemals miteinander überein.

1. Bewegungsgesetz

Jedes Objekt in einem Zustand konstanter Bewegung neigt dazu, in diesem Bewegungszustand zu bleiben, es sei denn, es wird eine äußere Kraft auf es ausgeübt.

2. Bewegungsgesetz

Es bezieht sich auf die Beziehung zwischen der Masse eines Objekts, seiner Beschleunigung und der aufgebrachten Kraft. Bei diesem Gesetz ist die Richtung des Kraftvektors gleich der Richtung des Beschleunigungsvektors.

3. Bewegungsgesetz

Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion.

Allgemein gesprochen gibt es zwei Bewegungskategorien, nämlich die konstante und die variable Bewegung. Wenn wir erwähnen, dass eine steigende Kraft von etwas eine neue gleiche Gegenkraft erzeugen würde, wie das dritte Newtonsche Bewegungsgesetz, beziehen wir uns eigentlich auf einen Vorgang von Aktion und Reaktion unter Umständen konstanter Bewegung (konstante Gegenkräfte). Mit anderen Worten, wir könnten erwähnen, dass der Kommen-Faktor gleich dem Werden-Faktor ist: -

Faktor werden = Faktor werden

Unter den Umständen einer variablen Bewegung würden sich die entgegengesetzten Kräfte jedoch in einem einzigartigen Harmonisierungsmechanismus orientieren, wie z. B. dem zweiten Newtonschen Bewegungsgesetz, das wie folgt gezeigt wird: -

Szenario 1 – Beschleunigung

Wenn der Come-Faktor beschleunigt, würde der relative Werden-Faktor verlangsamen: -

Zwinge A zum ↑ Zwinge A zum ↓

Zum Beispiel das Gedankenexperiment des Zwillingsparadoxons, bei dem es um einen Zwilling geht, der in einem Raumschiff mit nahezu Lichtgeschwindigkeit davonfliegt und zurückkehrt, um festzustellen, dass sein Zwillingsgeschwister viel älter ist. Dieses Szenario zeigt den Umstand der Zeitdilatation in Einsteins spezieller Relativitätstheorie. Buchstäblich würde die Beschleunigung des Raumschiffs den Werdensprozess des Zwillings, der darin sitzt, verlangsamen. Die Verlangsamung des Werdensprozesses würde für denselben Zwilling die Verlangsamung des Alterungsprozesses bedeuten. Mit anderen Worten, die geistige und körperliche Entwicklung des Zwillings, der im Raumschiff sitzt, würde sich relativ verlangsamen.

Szenario 2 – Verzögerung

Wenn der Come-Faktor verlangsamt, würde der relative Werden-Faktor beschleunigen: -

Zwinge A zum Kommen ↓ Zwinge A zum ↑

Wenn zum Beispiel die Geschwindigkeit des Autos abnimmt, kann man wörtlich von Verzögerung sprechen; Mathematisch ist es eine Beschleunigung in entgegengesetzter Richtung zur Bewegung und umgekehrt. Außerdem erklärt dieses Szenario, dass es einer körperlich kranken oder psychisch gestressten Person ratsam ist, sich zu Hause auszuruhen oder woanders einen kühlen Urlaub zu verbringen, da dieser Zustand die Wachstumsfaktoren in oder um dieselbe Person verlangsamen würde. Folglich würde sich der Erholungsprozess derselben Person, sowohl geistig als auch körperlich, beschleunigen.