Ich lese kürzlich Stephen Hawkings „Eine kurze Geschichte der Zeit“ und kann dieses kleine Fragment nicht perfekt verstehen:
(...) Eine weitere Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass die Zeit in der Nähe eines massiven Körpers wie der Erde langsamer erscheinen sollte. Denn zwischen der Energie des Lichts und seiner Frequenz (d. h. der Anzahl der Lichtwellen pro Sekunde) besteht ein Zusammenhang: je größer die Energie, desto höher die Frequenz (...)
Wie ist diese Lichteinflusszeit? Er schreibt auch:
Wenn sich Licht im Gravitationsfeld der Erde nach oben bewegt, verliert es Energie, und so sinkt seine Frequenz. (Dies bedeutet, dass die Zeitspanne zwischen einem Wellenberg und dem nächsten ansteigt.) Für jemanden in der Höhe scheint es, als würde alles unten länger dauern.
Und das kann ich verstehen, es ist nur eine Frage der Perspektive. Aber am verwirrendsten ist für mich folgendes:
Diese Vorhersage wurde 1962 mit zwei sehr genauen Uhren getestet, die oben und unten an einem Wasserturm montiert waren. Es wurde festgestellt, dass die erdnähere untere Uhr in exakter Übereinstimmung mit der Allgemeinen Relativitätstheorie langsamer lief
Wie hängt das mit Licht zusammen? Wie wirkt sich Licht auf die Situation aus, wenn festgestellt wurde, dass die Uhr unten langsamer läuft? Ich kenne die Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie, ich bin nur verwirrt, warum er darin die "Beziehung zwischen der Energie des Lichts und der Frequenz" erwähnt hat. Wahrscheinlich übersehe ich hier etwas Offensichtliches, deshalb warte ich darauf, dass mir jemand hilft.
Wir können uns Zeit als eine Möglichkeit vorstellen, Intervalle zu messen, die zwei Ereignisse trennen. In diesem Fall wird Licht eingeführt, um Ihnen zu helfen, sich vorzustellen, wie die Zeitdilatation abläuft.
Stellen Sie sich eine Maschine vor, die aus zwei Platten besteht, die einen Meter voneinander entfernt sind, und von unten wird Licht ausgestrahlt. Da das Licht eine Welle ist, können wir unsere Zeit als das Intervall messen, das es dauert, bis zwei aufeinanderfolgende Wellenberge eintreffen (dh eine Zeiteinheit). In Abwesenheit äußerer Einflüsse sollten wir unabhängig von unserer Position in Bezug auf die Uhr die gleiche Zeit messen.
Lassen Sie uns nun unsere Uhr in die Nähe eines Objekts mit einem intensiven Gravitationsfeld stellen und Sie bleiben in der Nähe davon, während ich mich davon entfernt positioniere. Wie Hawking sagt, verliert das Licht, wenn es nach oben wandert, Energie (denken Sie daran, dass Energie, Frequenz und Wellenlänge zusammenhängen durch ). Seit der Lichtgeschwindigkeit muss erhalten bleiben, das heißt, die Frequenz abnimmt und damit die Wellenlänge erhöht sich.
Wenn Sie nun die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gipfeln messen, messen Sie eine Zeiteinheit (sagen wir eine Sekunde). Ich sehe die Uhr jedoch von weitem und merke, dass aufgrund des Gravitationsfeldes die Wellenlänge von das Licht hat jetzt zugenommen. Das bedeutet, dass es länger dauert, bis zwei aufeinanderfolgende Wellenberge die obere Platte erreichen, also messe ich eine längere Zeit (z. B. 2 Sekunden). Das bedeutet, dass die Zeit durch das Vorhandensein eines Gravitationsfeldes beeinflusst wurde (dies wird eigentlich Gravitationsrotverschiebung genannt).
Dies mag jetzt wie ein besonderer Fall für Licht erscheinen, aber denken Sie daran, dass alle Materie im Wesentlichen aus Elementarteilchen mit ihren eigenen Wechselwirkungen besteht und die Zeit als Intervall zwischen jeder Wechselwirkung gemessen wird. Ihre „Zeit“ wird also ebenso vom Gravitationsfeld beeinflusst, wie das Licht vom Gravitationsfeld beeinflusst wurde.
Da Atomuhren im Grunde genommen Uhren sind, die die Zeit nach bestimmten atomaren Übergängen messen, werden sie von dem eben erwähnten Gravitationseffekt beeinflusst. Aus diesem Grund haben wir einen kleinen, aber nicht null Unterschied zwischen den Zeitintervallen beobachtet, die von den Uhren am Boden und den Uhren in einem Flugzeug gemessen wurden.
Hoffe, das hilft, es klarer zu machen.
Im Grunde haben Sie Fragen aufgeworfen, die ich unten aufgelistet habe.
(1) Frage in Bezug auf die Energie des Lichts und seine Frequenz.
(2) Frage in Licht, das Energie verliert und so seine Frequenz verringert, wenn es einer Gravitationsquelle entkommt.
(3) Stellen Sie den Test von 1962 in Frage, der zeigt, dass die Zeit am Fuß eines Turms in der Nähe der Erde langsamer läuft als an der Spitze des Turms, wo die Zeit schneller läuft.
Dementsprechend möchte ich Ihre Fragen wie unten beschrieben beantworten.
A1 . Photon ist Eichboson, Träger der elektromagnetischen Kraft. Daher wird das gesamte Spektrum elektromagnetischer Wellen von Photonen getragen.
Licht ist ein kleiner Teil innerhalb des Spektrums elektromagnetischer Wellen, das Spektrum umfasst Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.
Die Energie eines Photons kann aus der Max-Planck-Gleichung E = hf berechnet werden, wobei E die Energie eines Photons in Jules, f die Frequenz der Welle in Hz und die Planck-Konstante h = 6,625 × 10 ^ –34 Js bezeichnet. Die Gleichung gilt für das elektromagnetische Spektrum.
Hier ist die Beziehung zwischen der Frequenz des Photons und seiner Energie.
A2 . Wenn ein Photon nach seiner Emission einen Gravitationsbrunnen verlässt, verbraucht es Energie, um dem Gravitationsbrunnen zu entkommen, als Ergebnis verringert sich seine Energie, und gemäß der obigen Planck-Gleichung verringert sich auch die Photonenfrequenz aufgrund der Verringerung seiner Energie. Das Photon hat unmittelbar nach seiner Emission für seine Quelle den größten Teil seiner Energie, und daher wäre auch seine Frequenz am höchsten.
Die Wellenlänge einer Welle ist umgekehrt proportional zur Wellenfrequenz, so dass, wenn ein Photon seine Energie verringert, seine Frequenz ebenfalls abnimmt, aber seine Wellenlänge zunimmt, was zu einer Rotverschiebung des Photons im elektromagnetischen Spektrum aufgrund einer solchen Vergrößerung der Photonenwellenlänge führt . Dies ist als gravitative Rotverschiebung bekannt.
Licht besteht aus Photonen. Wenn sich also die Photonenenergie verringert, verringert sich auch seine Frequenz, wie oben erläutert.
A3 . Der Test von 1962, den Sie in Frage gestellt haben, zeigt, dass die Zeit langsamer oder schneller läuft, abhängig von den relativen Gravitationspotentialunterschieden.
Tatsächlich ist es eine falsche Aussage in der Relativitätstheorie. Denn der relativ langsamere oder schnellere Lauf der Uhren liegt nicht an der Zeitdilatation, sondern an den Fehlern beim Ablesen der relativen Uhrzeiten aufgrund relativer Phasenverschiebungen der Frequenz der Welle der Uhrschwingungen unter relativen Gravitationseinflüssen und entsprechend relative Verkleinerung oder Vergrößerung der Wellenlängen der Welle der Taktschwingungen in einer Beziehung zwischen Wellenlänge und Zeitdauer der Wellen der Taktschwingungen. Verzerrungen von Wellenlängen entsprechen genau zeitlichen Verzerrungen λ∝T.
Experimente, die in Elektroniklabors an piezoelektrischen Kristalloszillatoren durchgeführt wurden, zeigen, dass die Welle einer Zeitverschiebung aufgrund relativistischer Effekte entspricht.
Dagegen ist das Zeitintervall T(Grad) für 1° Phase umgekehrt proportional zur Frequenz (f). Wir erhalten eine Welle, die der Zeitverschiebung entspricht.
Beispielsweise entspricht eine Phasenverschiebung von 1° auf einer 5-MHz-Welle einer Zeitverschiebung von 555 Pikosekunden (ps).
Wir wissen, 1° Phasenverschiebung = T/360. Da T=1/f, 1° Phasenverschiebung = T/360 = (1/f)/360. Für eine Welle der Frequenz f = 5 MHz erhalten wir die Phasenverschiebung (in Grad°) = (1/5000000)/360 = (5,55x10^10) = 555 ps.
Daher ist für eine Phasenverschiebung von 1° für eine Welle mit einer Wellenlänge λ = 59,95 m und einer Frequenz f = 5 MHz die Zeitverschiebung (Zeitverzögerung) Δt = 555 ps (ungefähr).
Zeitverschiebung der Cäsium-133-Atomuhr im GPS-Satelliten im All:
Für 1455,50003025° Phasenverschiebung (oder 4,043055639583333 Zyklen) einer 9192631770 Hz Welle; Zeitverschiebungen (Zeitverzögerungen) Δt = 0,0000004398148148148148 ms (ungefähr) oder 38 Mikrosekunden Zeit werden pro Tag genommen.
Daher führt die Wellenlängendilatation der Uhrenoszillation aufgrund von relativistischen Effekten oder Gravitationspotentialunterschieden auf dem Uhrmechanismus zu einem entsprechenden Fehler beim Ablesen der Zeit in der Uhr, der fälschlicherweise als Zeitdilatation dargestellt wird. Zeitdilatation ist eher Wellenlängendilatation.