Wie wirkt sich die Gravitationszeitdilatation auf Materie aus?

Es gibt ein weit verbreitetes Missverständnis, dass die Zeitdilatation eine Art aktiver Prozess ist, dh etwas wirkt auf den dilatierten Beobachter ein, um seine Zeit zu verlangsamen. Das ist nicht der Fall. Stattdessen existiert Zeitdilatation, weil zwei Beobachter die Zeit auf unterschiedliche Weise messen.

Angenommen, Sie befinden sich auf der Erdoberfläche, würde ein Beobachter auf Pluto beobachten, dass Ihre Zeit verlängert wird, dh ihre Uhren würden schneller laufen als Ihre. Aber fühlt sich Ihre Zeit für Sie verlängert an? Ihre Uhren laufen immer noch mit einer Sekunde pro Sekunde. Ihre radioaktiven Kerne zerfallen immer noch mit der gleichen Geschwindigkeit. Soweit es dich betrifft, läuft deine Zeit ganz normal ab.

Wir messen Zeit und Raum, indem wir einen Satz von Koordinaten verwenden. Typischerweise messen wir die Position im Raum durch Aufstellen$x$,$y$Und$z$Achsen, und um die Zeit zu messen, verwenden wir eine vierte$t$Achse. Dies ergibt ein vierdimensionales Diagramm, das etwas schwer zu visualisieren ist, aber mathematisch einfach ist. Dann können wir den Zeitfluss daran verfolgen, wie schnell sich Objekte entlang der Zeitachse bewegen. Mehr dazu unter: Was ist Zeit, fließt sie und wenn ja, was bestimmt ihre Richtung?

Der Beobachter auf Pluto verwendet auch Koordinaten, um die Zeit zu messen, aber aufgrund der Krümmung der Raumzeit ist ihre Zeitachse nicht dieselbe wie Ihre Zeitachse, und das bedeutet, dass sie die Zeit anders messen. Aus diesem Grund beobachtet der Beobachter auf Pluto, dass Ihre Zeit verlängert wird.

Die Antwort auf Ihre Frage lautet also, dass die Zeitdilatation die Materie nicht im Sinne eines aktiven Mechanismus beeinflusst , der auf die Materie einwirkt. Es bedeutet lediglich, dass verschiedene Beobachter die Zeit unterschiedlich messen, weil ihre Definitionen für die Zeitachse unterschiedlich sind.

Werden die schwingenden Atome tatsächlich durch den Effekt der Zeitdilatation verlangsamt?

Ja. Das Hafele-Keating-Experiment zeigt, dass Atomuhren von der gravitativen Zeitdilatation beeinflusst werden. Und das Pound-Rebka-Experiment zeigt, dass die Frequenz der von angeregten Atomen emittierten Gammastrahlen durch die Gravitationszeitdilatation beeinflusst wird.

Gravitationszeitdilatation ist ein tatsächlicher objektiver Effekt, im Gegensatz zu der offensichtlichen subjektiven Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheorie. Beobachter, die relativ zueinander (im Raum) stationär sind, sich aber in einem Gravitationsfeld auf unterschiedlichen „Höhen“ befinden, werden zustimmen, dass die Zeit an jedem ihrer Orte unterschiedlich schnell läuft, und der Beobachter, für den die Zeit langsamer läuft, ist tiefer im Gravitationsfeld. Beobachter, die sich am selben Ort befinden, aber unterschiedliche Beschleunigungsgeschichten haben, werden unterschiedliche Messungen der verstrichenen Zeit haben und sich einig sein, wer die größere Beschleunigung hatte.

Kein Beobachter kann die gravitative Zeitdilatation durch rein lokale Beobachtungen im Weltraum nachweisen. Jedermanns lokale Uhren laufen mit einer Sekunde pro Sekunde – das ist eine Tautologie. Aber der Vergleich von nicht-lokalen Uhren, die stationär (im Raum) sind, zeigt, dass die gravitative Zeitdilatation ein echter Effekt ist.

Es sollte. Tatsächlich ist dies der Kern des Relativitätsprinzips und GR ist an dieser Stelle nicht notwendig. Um dies zu sehen, drücken wir das Relativitätsprinzip etwas, aber meiner Meinung nach tiefgründiger aus: „Ein Beobachter mit konstanter Geschwindigkeit sollte niemals in der Lage sein, seine vergangene Beschleunigung zu bemerken, es sei denn, er ist selbst Zeuge davon.“ . Die Idee dabei ist, dass, wenn jemand, der relativ zu einem anderen Beobachter anfangs in Ruhe war und dann einschläft, nur um aufzuwachen, nachdem einer von ihnen beschleunigt wurde, es für ihn unmöglich sein sollte zu sagen, dass er derjenige war, der beschleunigt wurde. In seinem Rahmen sollten beide Zustände konstanter Geschwindigkeit, vorher und nachher, genau gleich aussehen.

Stellen Sie sich nun das klassische Zwillings- Gedankenexperiment vor . Beide Zwillinge ruhen zunächst relativ zueinander im Weltraum. Sie bewegen sich in getrennte Raumschiffe, stellen einen Timer ein, um eines von ihnen zufällig zu beschleunigen, und fallen in einen Tiefschlaf. Wenn sie aufwachen, irgendwann nach der Beschleunigungsphase, einer von ihnen wird bemerken, dass ihr Alter und ihre Armbanduhr übereinstimmen. Sie war zu Beginn des Experiments ein junges Mädchen, aber ihre grauen Haare und Falten stimmen mit den 50 Jahren überein, die in ihrer Uhr vergangen sind. Wenn nun die Beschleunigung nicht alle Uhren der Welt (einschließlich der biologischen) auf die gleiche Weise beeinflusst, kann ihre Schwester im anderen Raumschiff sagen, dass sie die beschleunigte war, da ihre Alterung nicht mit der 1 übereinstimmt Jahr ihrer Armbanduhr, auch wenn sie sich in dieser Phase des Experiments in einer gleichförmigen Bewegung befindet. Mit anderen Worten, die Mädchen haben eine Möglichkeit erfunden, ihren eigenen Zustand der ständigen Bewegung zu überprüfen, was immer unmöglich sein sollte, egal was passiert.

Ersetzen Sie die Beschleunigungsphase durch eine Gravitationsschleuder und wenn eine konstante Bewegung nicht selbst zu überprüfen sein sollte, bleibt Ihnen nichts anderes übrig, als zuzugeben, dass die Schwerkraft auf alle Uhren gleichermaßen wirkt.

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Der entscheidende Punkt hier ist, dass alle Arten von vorstellbaren Uhren (Atomuhren, mechanische Uhren, wie Sie es nennen ...) im selben Rahmen die gleiche Zeit messen, aber die in verschiedenen Rahmen einen anderen Wert messen, und dieser Unterschied kann nur festgestellt werden, wenn Uhren die zunächst synchronisiert wurden, beschleunigt und wieder zusammengesetzt werden. Es ist unmöglich, diesen Unterschied innerhalb eines individuellen Bezugsrahmens zu überprüfen, ohne nach außen zu schauen. Aufgrund dieser Tatsache ist es für jemanden in einem individuellen Rahmen unmöglich, eine Art Zeitdilatation zu spüren . Zeitdilatation ist also keine physikalische KraftDadurch werden die Uhren im beschleunigten Frame langsamer. Was man sagen kann, ist, dass die in das System eingebrachte Energie (diejenige, die die Beschleunigung verursacht) die Art und Weise, wie diese Frames Raum- und Zeitraten miteinander in Beziehung setzen, grundlegend verändert, indem sie den Korrekturfaktor (dargestellt durch den metrischen Tensor) ändert, den sie verwenden Raumzeitmessungen austauschen.

Ich habe das Gefühl, dass ich diese Antwort hinzufügen muss, da es derzeit zwei hervorragende Antworten von @JohnRennie und @gandalf61 gibt, aber wenn Sie sie auf den ersten Blick betrachten, scheinen sie widersprüchlich zu sein. In Wirklichkeit sind sie es nicht, aber ich glaube, es bedarf einer kleinen Erklärung.

Sehen Sie, die ausgezeichnete Antwort von gandalf61 sagt Ihnen gleich im Voraus, ja, oszillierende Atome werden tatsächlich in einem Gravitationsfeld verlangsamt. Dann besagt die ausgezeichnete Antwort von John Rennie, dass die Zeitdilatation kein aktiver Prozess ist, sondern existiert, weil zwei Beobachter die Zeit auf unterschiedliche Weise messen.

Die Gravitationskraft, wie sie lokal erfahren wird, während man auf einem massiven Körper (wie der Erde) steht, ist dieselbe wie die Pseudokraft, die ein Beobachter in einem nicht trägen (beschleunigten) Bezugsrahmen erfährt.

https://en.wikipedia.org/wiki/Äquivalenzprinzip

Nun, so unmöglich es scheinen mag, beide haben recht. Es ist sehr wichtig zu verstehen, dass Geschwindigkeit relativ ist, aber Beschleunigung absolut. Nach dem Äquivalenzprinzip können die Wirkungen eines Gravitationsfeldes nicht von einer Beschleunigung zu unterscheiden sein.

Wie John Rennie es erklärt, befinden sich die beiden Atomuhren in zwei unterschiedlich starken Gravitationsfeldern, bewegen sich also entlang unterschiedlicher Zeitachsen (die Auswirkungen des Gravitationsfelds biegen die Achsen auf unterschiedliche Weise, wenn man so will), sie messen die Zeit unterschiedlich.

In Wirklichkeit sagt gandalf61 in einem Kommentar dasselbe und erklärt, dass in einem Experiment zwei Atomuhren herumgeflogen seien und beim Wiedersehen (zusammen und mit einer dritten Uhr) ihre Unterschiede (d. h. sie tickten unterschiedlich stark) seien im Einklang mit GR.

Sie sagen dasselbe, dass sich die Uhren entlang unterschiedlicher Zeitachsen bewegten (teilweise, weil sie sich in unterschiedlichen Tiefen eines Gravitationspotentials bewegten / existierten) und eine Zeitachse durch die Auswirkungen der Schwerkraft stärker gebogen wurde als eine andere, was dies verursachte Uhren, die unterschiedlich schnell ticken.

Es ist sehr wichtig zu verstehen, dass dieser Effekt auf die Taktraten nur realisierbar ist, wenn man ihn mit anderen Uhren vergleicht, die in unterschiedlichen Tiefen eines Gravitationspotentials existierten (sich entlang unterschiedlicher Zeitachsen bewegten). Wenn Sie eine einzelne Uhr haben, können Sie nicht sagen, dass die Uhr langsamer zu ticken beginnt, wenn Sie sich in ein stärkeres Gravitationsfeld (Potenzial) bewegen, weil es nichts Vergleichbares gibt. Sie müssen Ihre Uhr immer mit einer anderen Uhr vergleichen, die sich in einem Gravitationsfeld einer anderen Stärke befindet (in unterschiedlichen Tiefen eines Gravitationspotentials), um den Taktratenunterschied zu erkennen.

Also, wie Sie sagen, ist dieser Effekt absolut auf die Uhren? Sie könnten ja sagen, aber das wäre irreführend, denn wenn es nichts Vergleichbares gibt, können Sie es nicht erkennen. Sie müssen Ihre Uhr immer mit einer anderen vergleichen, um den Effekt der GR-Zeitdilatation zu erkennen.

Ich glaube, dass nur die Antwort von @JohnRennie den Punkt der Frage richtig anspricht. Die Zeitdilatation ist ein Effekt, der nur für Beobachter sichtbar ist, die sich relativ zu dem Rahmen bewegen, der zeitgedehnt erscheint – in diesem Rahmen selbst ändert sich nichts.

Es wird oft gesagt, dass sich bewegende Uhren langsam gehen, was eine irreführende Aussage ist, da es den Eindruck erweckt, dass die Uhr selbst langsamer geworden ist, was nicht stimmt.

Wenn Sie Ihre Geschwindigkeit erhöhen, vergeht Ihre Ortszeit (dh die Zeit, in der Sie sich in Ihrem Ruhesystem befinden) mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Zeit an jedem anderen Punkt in jedem anderen Referenzsystem. Nur wenn eine verstrichene Zeit an einer Stelle in einem Vollbild mit der Zeit an zwei getrennten Stellen in einem sich bewegenden Vollbild verglichen wird, tritt eine Diskrepanz auf.

Bei SR entsteht das Phänomen der Zeitdilatation, weil die Zeitachse in Ihrem Ruhesystem relativ zur Zeitachse in einem sich relativ zu Ihnen bewegenden Referenzsystem geneigt ist. Das bedeutet, wenn Sie sich in einem anderen Bezugsrahmen durch den Raum bewegen, bewegen Sie sich von Regionen früherer Zeit in diesem Rahmen zu Regionen späterer Zeit.

Die Analogie ist nicht exakt, aber wenn Sie sich vorstellen, nach Osten um die Erde zu reisen und London mittags zu verlassen, werden Sie aufeinanderfolgende Zeitzonen durchqueren, in denen die Ortszeit zunehmend später ist. Wenn Sie auf Ihrer Uhr um Mitternacht in Tokio landen, ist die Ortszeit 7 Uhr morgens, also scheinen Sie 7 Stunden verloren zu haben. Das liegt nicht daran, dass Ihre Uhr langsam gelaufen ist, sondern daran, dass Sie sich an einen Ort bewegt haben, an dem die Zeit um sieben Stunden vorgeht.

Auf ähnliche Weise entsteht das Phänomen der Zeitdilatation bei SR. Wenn Sie sich durch einen Bezugsrahmen bewegen, ist die Grundlinie für Ihre Bewegung keine horizontale Gleichzeitigkeitsebene in diesem Rahmen, sondern eine geneigte. In deinem Ruhesystem ist es zu jedem Zeitpunkt überall gleich. Wenn es genau Mittag ist, wo Sie sich befinden, ist es auch genau Mittag eine Meile vor Ihnen. An dem Punkt in der Raumzeit, der in Ihrem Rahmen dem Mittag eine Meile vor Ihnen entspricht, ist es jedoch im bewegten Rahmen bereits nach Mittag . So wie wenn Sie mittags in London abheben, ist es in Tokio bereits 19 Uhr.

Wenn Sie sich noch davon überzeugen müssen, dass sich bewegende Uhren nicht wirklich langsamer werden, betrachten Sie das folgende Gedankenexperiment. Wenn Sie auf den Sekundenzeiger Ihrer Uhr blicken, sehen Sie, dass er sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Im Vergleich zu einem Rahmen, der Sie mit 1000 Meilen pro Stunde passiert, scheint Ihre Uhr im Vergleich zu aufeinanderfolgenden Uhren in diesem Rahmen kontinuierlich ein wenig Zeit zu verlieren. Im Vergleich zu einem Rahmen, der Sie mit 100.000 mph passiert, scheint Ihre Uhr noch langsamer zu laufen. Verglichen mit Uhren in einem Rahmen, die schnell genug an Ihnen vorbeiziehen, scheint Ihr Sekundenzeiger einmal im Jahr zu ticken. Ihre Uhr scheint abhängig von der relativen Geschwindigkeit des Rahmens, mit dem sie verglichen wird, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu laufen.

In GR hat die Zeitdilatation eine ähnliche Ursache, aber es handelt sich nicht um relativ zueinander geneigte Gleichzeitigkeitsebenen, sondern um gekrümmte Zeitoberflächen.

Das Folgende ist eher nur ein Kommentar zur vorliegenden OP-Frage (die jedoch 600 Zeichen überschreitet):

Harvey: "[...] Werden die schwingenden Atome tatsächlich durch den Effekt der Zeitdilatation verlangsamt, die von einem größeren Gravitationsobjekt herrührt [?]"

Sollte diese Frage und die OP-Frage insgesamt beispielsweise im folgenden konkreten Sinne ausgelegt werden:

„Ist die Grundzustands-Hyperfein-Übergangsfrequenz eines Cäsium-133-Atoms, das geeignet gegen Fallen gestützt ist (in Richtung eines nahegelegenen, signifikant massiven Objekts wie der Erde) kleiner als die ungestörte Grundzustands-Hyperfein-Übergangsfrequenz eines (geeigneterweise freien) Cäsium-133-Atoms ? ?"

??

(Wenn ja, bin ich weder qualifiziert noch besonders interessiert, diese Frage oder ähnliche Fragen zur Atomphysik zu beantworten.)

Wenn nicht, muss die OP-Fragestellung nach meinem Verständnis geklärt, überarbeitet und verbessert werden. (Dies kann natürlich auf verschiedene Weise angegangen werden. Ein Vorschlag, den ich für sinnvoll erachten würde, wäre die konkrete Frage:
"Was genau meinen wir damit, dass ein Oszillator `langsamer oszilliert´ als ein anderer Oszillator?" ... )

Nun ja. Das Pound-Rebka-Experiment Pound-Rebka-Schwerkraft-Doppler-Verschiebung weist definitiv darauf hin, dass physikalische Materialsysteme mit charakteristischen Frequenzen ein unterschiedliches Verhalten haben, abhängig von ihrer relativen Position in einem Schwerefeld. Ihre inneren Uhren stimmen nicht überein, so wie es die Allgemeine Relativitätstheorie verlangt.

Der Effekt ist gering, aber einige sehr genaue Gammastrahlen-Frequenzbestimmungen verifizieren die Zeitvariation.

Atomuhren verfolgen die regelmäßigen Schwingungen von Atomen. So sind sie in der Lage, die Zeit unglaublich genau zu halten. Je näher eine Atomuhr an der Gravitationsquelle ist, desto langsamer nimmt sie die Zeit auf, während sie je weiter entfernt ist, desto schneller ist die Zeit, die sie aufzeichnet (gemessen von entfernten Beobachtern).

Aufgrund der Tatsache, dass Gravitationsfelder Atomuhren auf diese Weise beeinflussen, können wir davon ausgehen, dass die Schwingungen von Atomen tatsächlich durch Gravitationsfelder (gemessen von einem entfernten Beobachter) verlangsamt werden.

Ich zitiere den Teil Ihrer Frage, auf den ich antworte:

Wenn wir die Zeitdilatation als Ergebnis der Schwerkraft beschreiben, sagen wir damit, dass sich die Bewegung all der winzigen Teilchen, einschließlich der subatomaren Teilchen, tatsächlich verlangsamt?

Wir müssen hier mit dem Ausdruck „langsam werden“ vorsichtig sein.

Lassen Sie mich einen Vergleich anstellen:
Wie wir wissen: Wärme ist Bewegung der Atome, aus denen ein Stoff besteht. Die Atome/Moleküle eines Gases haben eine Geschwindigkeitsverteilung. Diese Verteilung hat einen Durchschnitt. Je höher die Temperatur, desto höher die Durchschnittsgeschwindigkeit. Das Abkühlen einer Substanz bedeutet, dass Sie die thermische Geschwindigkeit verringern.

Der Zeitdilatationseffekt ist mit dieser Art der Verlangsamung nicht vergleichbar.

Ich rate dringend davon ab, in Begriffen wie langsamer/schneller zu denken, es führt Sie in die Irre.

Ein vorsichtigerer Ansatz besteht darin, sich Zeitdilatation als operative Beschreibung vorzustellen .

Physics.SE-Mitarbeiter Gandalf61 erwähnte bereits das Hafele-Keating-Experiment.

Der Punkt im Experiment, an dem der Gummi auf die Straße trifft, ist, wenn die beiden Uhren wieder verbunden sind . Wenn die beiden Uhren wieder direkt nebeneinander stehen , ist der Vergleich eindeutig.

Es ist zu sehen, dass für eine Uhr eine geringere Eigenzeit verstrichen ist als für die andere Uhr.

Ich wiederhole: Ich empfehle, in Bezug auf die Menge an Eigenzeit zu denken und nicht in Bezug auf langsamer/schneller.

Die Idee hier ist, ein Minimalist zu sein . Drücken Sie das Minimum aus, das ausreicht, um die Beobachtung zu beschreiben, und halten Sie sich von der Interpretation der Beobachtung fern

Für die Funktionsweise der Schwerkraft ist kein zugrunde liegender Mechanismus bekannt. Um GR überhaupt formulieren zu können, muss der Äquivalenzgrundsatz gewahrt sein .

Die Rechtfertigung für die Gewährung dieser Annahme ist der Erfolg der GR als Theorie der Physik.

In gewisser Weise erzeugt die Schwerkraft eine Vorspannung, so dass tiefer in einem Gravitationsschacht eine geringere Menge an Eigenzeit vergeht im Vergleich zu der Menge an Eigenzeit, die in größerer Höhe vergeht.

Diese Vorspannung ist, was immer sie auch sein mag, ein echter physikalischer Effekt . Diese Verzerrung ist kein offensichtlicher Effekt.