การขยายเวลา: มันคืออะไร หลักฐาน แคลคูลัส

การขยายเวลาคือ ความแตกต่างในการวัดเวลาสำหรับนาฬิกาสองเรือนที่เหมือนกัน และซิงโครไนซ์อย่างสมบูรณ์แบบที่เกิดขึ้นเมื่อนาฬิกาตัวใดตัวหนึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเทียบเท่า ความเร็วของแสง หรือแม้กระทั่งเมื่ออยู่ภายใต้a สนามโน้มถ่วง ต่างจากนาฬิกาเรือนอื่น ปรากฏการณ์ของการขยายเวลาถูกทำนายและอธิบายตามทฤษฎีโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Albert Einsteinผมไม่ในปี ค.ศ. 1905

ดูด้วย:การขยายเวลาและความขัดแย้งคู่

การขยายเวลาคืออะไรและเกิดขึ้นได้อย่างไร?

การขยายเวลาเป็นที่เข้าใจกันว่า a ล่าช้าไม่การวัดช่วงเวลาระหว่างสอง การอ้างอิงส ซึ่งนาฬิกาถูกซิงโครไนซ์ไว้ก่อนหน้านี้ การไม่ซิงโครไนซ์นี้สามารถเกิดขึ้นได้ในสองสถานการณ์ที่แตกต่างกัน อย่างแรกคือถ้าเฟรมอ้างอิงตัวใดตัวหนึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง นั่นคือประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ที่สองสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อหนึ่งในการอ้างอิงอยู่ในขอบเขตของ ศักย์โน้มถ่วง แตกต่างจากครั้งแรก

การขยายเวลาเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อธิบายและทำนาย

ในทางปฏิบัติ การขยายชั่วขณะทำให้เกิด เข็มนาฬิกา"เลี้ยวช้าลง"ราวกับว่าระยะเวลาปกติของวินาทีหรือนาทีเพิ่มขึ้นเล็กน้อย นอกจากนี้ การขยายเวลาที่เกิดจากความเร็วสูงคือ

ซึ่งกันและกันสำหรับการอ้างอิงทั้งสองนั่นคือเมื่อคนหนึ่งมองอีกฝ่ายหนึ่ง ทั้งคู่จะสังเกตเห็นเวลาที่ผ่านไปช้าลง

สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นกับการขยายเวลาที่เกิดจาก .อีกต่อไป ความแตกต่างในสนามแรงโน้มถ่วง เนื่องจากในกรณีนี้ เฉพาะวัตถุที่อยู่ภายใต้สนามโน้มถ่วงที่แตกต่างกันเท่านั้นที่อยู่ภายใต้การขยายเวลา การขยายประเภทนี้อธิบายโดยการวางนัยทั่วไปของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่เรียกว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ดูยัง: ทำไมแสงยังหนีหลุมดำไม่ได้?

อย่าเพิ่งหยุด... มีมากขึ้นหลังจากโฆษณา ;)

การทดลองและหลักฐานการขยายเวลา

การขยายเวลาที่คาดการณ์โดย by ทฤษฎีสัมพัทธภาพ ของไอน์สไตน์ได้รับการสังเกตและวัดจากการทดลองจำนวนมากแล้ว สามารถดูได้ใน:

• เครื่องเร่งอนุภาค;

• นาฬิกาอะตอม;

• ดาวเทียม;

• รังสีคอสมิกอนุภาคพลังที่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกจากทุกทิศทุกทางในจักรวาล

ในการทดลองครั้งนี้ การมีอยู่ของอนุภาคที่เรียกว่า pi mesonที่ความสูงใกล้กับพื้นผิวของ โลก. อนุภาคเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อรังสีคอสมิกชนกับอะตอมบางส่วนในชั้นบรรยากาศ สลายตัวเป็นอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมาก

ตั้งแต่เวลา ครึ่งชีวิต ของ pi meson นั้นสั้นมาก ไม่ควรเห็นมันที่ระดับความสูงของน้ำทะเล ตัวอย่างเช่น แต่เฉพาะที่ซึ่งมันก่อตัว - สูงหลายกิโลเมตร สิ่งที่เกิดขึ้นในกรณีนี้คือความเร็วที่ไพออนเหล่านี้เคลื่อนที่ หลังจากการชนกันนั้น พวกมันสร้างขึ้นมีขนาดใหญ่มากจนเมื่อเทียบกับโลก ความยาวของครึ่งชีวิตขยายออกไป อย่างมาก ด้วยวิธีนี้ จึงสามารถตรวจจับพวกมันที่ระดับความสูงต่ำได้ การค้นพบ pi meson โดย นักฟิสิกส์ชาวบราซิล César Lattes ทำหน้าที่ได้อย่างดีเยี่ยม หลักฐานทดลองให้การขยายของเวลา.

ในการทดลองอื่น นาฬิกาอะตอมที่ซิงโครไนซ์สองตัวถูกวางไว้ที่ความสูงต่างกัน (อันหนึ่งสูงกว่าอีก 33 เซนติเมตร) และวัด แบ่งในเวลาเบาๆหลากหลายความแตกต่างเนื่องจากนาฬิกาที่ต่ำลงจะมีแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงขึ้น อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าผลของการขยายเวลาดังกล่าวต่ำมากจนความหน่วงระหว่างนาฬิกาเหล่านี้มีเพียง 90 พันล้านวินาทีใน 80 ปีของการวัด

ในรูปแบบต่างๆ ของการทดลองนี้ นักฟิสิกส์ได้ตั้งค่านาฬิกาหนึ่งนาฬิกาให้แกว่งด้วยความเร็ว 10 ม./วินาที ด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงสามารถวัดความแตกต่างของเวลาที่วัดได้ระหว่างสองนาฬิกา จากการทดลองเหล่านี้ วันนี้เราทราบแล้วว่าเมื่อขึ้นบันไดหรือยังคงขี่รถอยู่ แม้จะขับด้วยความเร็วต่ำ เวลาผ่านไปต่างกันสำหรับพวกเราทุกคน.

ดูด้วย:ซิเรียส – หนึ่งในเครื่องเร่งอนุภาคที่ทันสมัยที่สุดในโลกคือบราซิล

การคำนวณการขยายเวลา

การคำนวณของ การขยายชั่วคราว ถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของ การแปลงร่างในลอเรนซ์ การแปลงเหล่านี้ไม่มีอะไรมากไปกว่าชุดของสมการที่เกี่ยวข้องกับช่วงเวลาที่เหตุการณ์เกิดขึ้นในการอ้างอิงที่แตกต่างกันสองแบบ

ดูสูตรที่ใช้คำนวณการขยายเวลาเนื่องจากความเร็วด้านล่าง

t₀ – เวลาวัดโดยผู้สังเกตขณะพัก (เวลาของตัวเอง)

t – เวลาที่วัดโดยผู้สังเกตที่กำลังเคลื่อนที่

วี – ความเร็วของผู้สังเกตที่เคลื่อนที่

ค - ความเร็วของแสง

สูตรข้างต้นสามารถเขียนได้ง่ายกว่า สำหรับสิ่งนั้น เราบอกว่าเวลาที่วัดโดยผู้สังเกตที่เคลื่อนที่ได้เท่ากับ เวลาลักษณะเฉพาะคูณด้วยปัจจัยการแก้ไขเชิงสัมพัทธภาพหรือที่เรียกว่าปัจจัยลอเรนซ์

มาทำ .กัน ตัวอย่าง ด้วยสูตรที่แสดงด้านบน

สมมุติว่านาฬิกาอะตอมสองนาฬิกาถูกซิงโครไนซ์อย่างสมบูรณ์แบบ และหนึ่งในนั้นถูกตั้งค่าให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.6c (โดยที่ c คือความเร็วของแสงในสุญญากาศ) หากเวลาผ่านไป 10 วินาทีนาฬิกาที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงจะผ่านไปกี่วินาที?

ลองคำนวณปัจจัยลอเรนซ์ด้วยข้อมูลที่ให้มา ดู:

สุดท้าย เพื่อให้ได้เวลาที่วัดโดยหน้าต่างอ้างอิงเคลื่อนที่ เราต้องคูณค่าลักษณะเฉพาะด้วยปัจจัยการแก้ไขลอเรนซ์

จากการคำนวณ เราพบว่าถ้านาฬิกาตัวใดตัวหนึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับ 60% ของความเร็วแสง (0.6c) เหตุการณ์ 10 วินาทีจะมีระยะเวลาขยายเป็น 12.5 วินาที อย่างไรก็ตาม เป็นที่น่าสังเกตว่าเราจะสังเกตเห็นการขยายเวลาก็ต่อเมื่อเราสังเกตเหตุการณ์จากกรอบอ้างอิงที่อยู่นิ่งและในทางกลับกัน

โดย Rafael Hellerbrock
ครูฟิสิกส์

คุณต้องการอ้างอิงข้อความนี้ในโรงเรียนหรืองานวิชาการหรือไม่ ดู:

เฮเลอร์บร็อค, ราฟาเอล. "การขยายเวลา"; โรงเรียนบราซิล. มีจำหน่ายใน: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/dilatacao-tempo.htm. เข้าถึงเมื่อ 27 มิถุนายน 2021.