En términos simples, ¿por qué el tiempo se ralentiza cuanto mayor es la atracción gravitacional?

Para entender este concepto, primero debemos entender lo que Einstein quiso decir cuando dijo que la velocidad de la luz en el vacío es constante.

Esto es muy difícil de visualizar, ya que va en contra de nuestras observaciones ordinarias.

Si está en un automóvil que viaja a 50 km / h, otro automóvil que viaja junto a usted a 50 km / h en la misma dirección, aparecerá estacionario.

Pero si está en una nave espacial que viaja a la velocidad de la luz [esto no es posible, pero solo para esta demostración, supongamos que lo es] , un rayo de luz que viaja a su lado en la misma dirección, pasará a su lado en La velocidad de la luz . Eso significa que el observador no puede calcular su velocidad comparándola con la velocidad de la luz, porque la velocidad de la luz siempre será la misma en relación con cada observador.

En esta figura, los 3 observadores observarán que la luz viaja a la misma velocidad, a pesar de que todos se mueven a velocidades diferentes.
* Tenga en cuenta que no es teóricamente posible viajar a la velocidad de la luz. El ejemplo se da solo como una explicación.

Una vez que comprendamos esto, ahora podemos intentar entender qué hora es.

Dado que vivimos en un planeta con gravedad fija, moviéndose a una velocidad fija, nos parece que el tiempo es constante, lo que significa que la velocidad del paso del tiempo siempre será constante.

Pero este no es el caso, el tiempo está unido a la velocidad de la luz.
Entonces, un segundo siempre será el tiempo que le toma a la luz moverse una distancia fija, 1 segundo de luz o 1/3 × 10 ^ 8 m.

Por lo tanto, vemos que, en la figura, A, B y D se mueven a diferentes velocidades y, sin embargo, experimentan el mismo rayo de luz de la misma manera. Esto se debe a que todos experimentan el tiempo de manera diferente .

Esto se llama dilatación del tiempo debido al movimiento relativo.

Se puede visualizar de la siguiente manera;

Aquí tenemos un reloj de luz. Como la velocidad de la luz es la única constante, una unidad de tiempo es el tiempo que tarda el rayo de luz en salir de la superficie inferior, reflejarse en la superficie superior y golpear la superficie inferior nuevamente.

En el caso 1, el reloj está parado. Entonces la luz tiene que viajar una distancia menor.
En el caso 2, el reloj se está moviendo, por lo tanto, la luz tiene que viajar una distancia más larga.

Pero el tiempo transcurrido en ambos casos es el mismo. Por lo tanto, en el caso 2, el tiempo es más lento que en el caso 1.

[Para una mejor comprensión del reloj de luz y esta forma de dilatación del tiempo, vea este video.]

Por lo tanto, moverse a velocidades muy altas hace que el tiempo sea más lento para nosotros.
Todo esto es relatividad especial .

Para comprender la dilatación del tiempo gravitacional, pasamos a la relatividad general .

La relatividad dice que el espacio y el tiempo no son entidades separadas. Ambos son una sola entidad existente en la cuarta dimensión como una hoja plana llamada espacio-tiempo.

Por lo tanto, podemos visualizar todo el espacio-tiempo como una lámina infinitamente grande extendida tensamente, como el techo de una carpa, pero infinitamente grande. Cada vez que se coloca una masa en esta hoja tensa, se sumerge en ese punto. Esta caída en el espacio-tiempo es causada por la gravedad.

Cuanto más pesado sea el objeto, más profunda será la curva. Los efectos de esta masa se sienten teóricamente en todo el espacio-tiempo, pero tienen un efecto más fuerte más cercano a sí mismo.

Incluso la luz debe seguir estas curvas en el espacio-tiempo a medida que se mueve.
Por lo tanto, los objetos grandes y pesados ​​como estrellas masivas y agujeros negros tienen la capacidad de doblar la luz.

Entonces, si pasaran dos rayos de luz, uno más cerca del agujero negro y otro más lejos; Podemos ver lo siguiente.

Por lo tanto, podemos ver que tanto los rayos de luz, tanto cerca como más lejos de los agujeros negros recorren aproximadamente la misma distancia en una dirección izquierda-derecha (sus desplazamientos son similares), pero la distancia recorrida por el segundo rayo es más larga que distancia recorrida por el primero.
[Esta ilustración tiene fines explicativos, la ciencia funciona de la misma manera, incluso si solo hay un campo gravitacional.]

De manera similar al reloj atómico, la luz viaja una distancia más larga y, por lo tanto, el tiempo es más lento en el segundo caso .
Entonces, si los observadores se colocan en una región donde la luz es curva, experimentarán un tiempo más lento que los observadores que no están en este campo gravitacional.

Por lo tanto, vemos cómo la atracción gravitacional puede ralentizar el tiempo.

No puedo dar fe de la precisión de la ciencia anterior.
Esta respuesta solo representa mi comprensión de la física teórica.

     

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Lo intentaré:

Quiero que creas en las siguientes tres afirmaciones: (a) La luz no tiene masa y viaja a velocidad constante (300 * 10 ^ 6 m / s), (b) Cualquier evento que ocurra en el universo (en tu vida, en mi vida, en Júpiter, en la Luna, etc., sucede en un área llamada ‘espacio-tiempo’. Puede suponer, para el propósito de este ejercicio, que esta área es cuadrícula / malla rectangular y la malla en sí misma es flexible, y (c) la luz viaja a lo largo de las líneas de la cuadrícula en la malla.

Ahora, imagina esto: estás parado en un borde de esta cuadrícula rectangular. Tienes una antorcha y enciendes la luz de la antorcha a otro borde en el otro extremo. Anota el tiempo que tarda esta luz en viajar de un borde al otro. Llamemos esta vez t1 y se define como:

t1 = (Distancia entre dos bordes) / (Velocidad de la luz)

Ahora, tome otra malla rectangular idéntica (mismo tamaño, material, etc.) y deje caer una bola en el centro de la malla. Como la malla es flexible, la bola creará una curva (curvatura) en la malla. Ahora de nuevo, destellas tu antorcha hacia el otro borde. Como hay una curva en el centro (donde se dejó caer la pelota), la luz de la antorcha ahora tiene que recorrer esta distancia curva extra. Dado que la velocidad de la luz es constante, por lo tanto, el tiempo que tardó en viajar al otro extremo de la cuadrícula ahora es mayor. Podemos definir este tiempo t2, y se define como:

t2 = (Distancia entre dos bordes + distancia de curvatura adicional) / (Velocidad de la luz)

Ahora, si compara t2 y t1, encontrará que t2> t1. La palabra ‘comparar’ aquí es importante porque solo puede decir que t2 es mayor que t1.

La otra forma de decir esto es que el tiempo se ha ralentizado en la malla doblada en comparación con la malla no doblada.

Ahora, para completar mi ejemplo:

Malla regular == Tierra
t1 == tiempo que medimos en la Tierra.

Bola == Gravedad
Bend Mesh == Región en el espacio donde la gravedad es más fuerte que la de la Tierra. En Júpiter es ~ 2.5x Tierra, En Sol ~ 28x Tierra, Agujero Negro: un número muy muy grande x Tierra.

La gravedad dobla el continuo espacio-tiempo, no dobla la luz (ya que no tiene masa), por lo tanto, lleva más tiempo. Aquí es donde entra en juego la teoría de la relatividad general de Einstein. Hay personas mucho más inteligentes que yo en Quora que pueden explicarle en términos simples qué es la relatividad general.

Soy un gran admirador de Richard Feynman, quien dijo: “El primer principio es que no debes engañarte a ti mismo y que eres la persona más fácil de engañar”. y agregó: “Si no puedes explicar algo en lenguaje sencillo, entonces no sabes de lo que estás hablando”. Einstein también fue un gran defensor del lenguaje sencillo, y esta puede ser la razón por la que consideró que su mayor visión es esa gravedad se siente como la aceleración en un elevador. Einstein formalizó esta idea como su Principio de equivalencia , en el que trata de describir la equivalencia completa de la gravedad con la aceleración. Él utilizó este Principio para predecir que la gravedad retrasaría los relojes.

Antes de explicar la idea de Einstein, modifiquemos la pregunta para tratar de mejorar la claridad. La pregunta se refiere al “tirón” gravitacional, pero nadie ha experimentado un tirón, sino que experimentamos un empuje gravitacional cuando estamos en el suelo, como el empuje que sentimos desde abajo en un elevador que acelera. Del mismo modo, si está sentado, no siente un tirón hacia abajo, siente que el asiento lo empuja hacia arriba. Entonces, modifiquemos la pregunta a: “En términos simples, ¿por qué el tiempo se ralentiza cuanto mayor es el empuje gravitacional?

Suponga que está subiendo en un elevador de vidrio, y cuando comienza a levantarse observa a alguien pasar por el pasillo. Esta persona parece caer de la vista, primero lentamente y luego rápidamente a medida que el elevador acelera. Si dibuja una línea siguiendo su camino, la línea primero es recta hacia un lado mientras caminan y luego la línea se curva hacia abajo cada vez más rápido a medida que el elevador acelera. Esta es la misma línea que tendría siguiendo el camino de una pelota lanzada horizontalmente en un campo gravitacional: se curvaría cada vez más rápido incluso si no hubiera fricción con el aire para frenar la pelota.

Ahora, si consideramos que un rayo imaginario de luz lenta visto desde el elevador viaja horizontalmente a lo largo del pasillo, entonces podemos imaginar que la trayectoria de la luz también parecerá curvarse hacia abajo en relación con el elevador a medida que el elevador acelera hacia arriba, incluso aunque la luz en realidad no se curva en el pasillo. Luego medimos la distancia entre el lugar donde la luz comienza a cruzar el camino del ascensor hasta el lugar donde termina de cruzar. Si medimos a lo largo de una línea recta entre estos dos puntos en el pasillo, esta distancia será más corta que si medimos a lo largo de la trayectoria curva aparente vista desde el elevador. Y, finalmente, debido a que la velocidad de la luz es constante, sabemos que la luz debe viajar a la misma velocidad independientemente del punto de vista, por lo que debemos reducir la velocidad del reloj en el elevador para que el tiempo total de la luz El tránsito curvo aparente a través del elevador es el mismo que el tiempo total de la trayectoria recta real de la luz fuera del elevador cuando se cronometra con un reloj fuera del elevador. O, en lenguaje simple, porque la gravedad es como la aceleración, ralentiza el tiempo.

Resulta que la ecuación simple que se desprende de este razonamiento describe correctamente la desaceleración del tiempo en los pozos gravitacionales, por lo que es una idea bastante sorprendente. Pero en retrospectiva, un siglo después, encontramos un problema. Verá, ya sea que salte de un avión y, por lo tanto, esté en caída libre en un pozo gravitacional, sintiendo un empuje gravitacional cero mientras cae, o si en cambio se queda en el avión y siente que el avión empuja contra sus piernas como un elevador ascendente, el la velocidad del tiempo se ralentiza de manera idéntica con la altura en el pozo gravitacional. Para extender esta analogía al elevador, suponga que el elevador está lejos en un espacio vacío donde no hay gravedad que lo afecte, y usted se deja “caer” dentro del elevador a medida que el elevador acelera hacia arriba. Experimentaría una caída libre al piso del elevador al igual que caería en un pozo gravitacional, pero no vería un camino curvo para la luz porque permanecería nivelado con el pasillo y, por lo tanto, si la gravedad fuera como la aceleración, entonces los cuerpos en caída libre no experimentaría la desaceleración del tiempo por gravedad.

Esta desaceleración idéntica de los relojes en caída libre y al experimentar el empuje gravitacional se ha demostrado físicamente por el hecho de que los relojes a bordo de los satélites de posicionamiento global se reducen por gravedad exactamente como lo predice la ecuación, aunque la órbita es caída libre y, por lo tanto, experimentan cero empuje gravitacional. O, en otras palabras: Einstein encontró algo útilmente cercano a la verdad, pero estaba equivocado acerca de la equivalencia de aceleración y gravedad porque esto no es exactamente lo que ralentiza el tiempo en los pozos gravitacionales.

Ahora, como puede ver, aquí tenemos una explicación simple y llana para la desaceleración del tiempo en pozos gravitacionales de acuerdo con la Teoría de Einstein; y también tenemos una explicación simple y clara de por qué está mal y una prueba física de que está mal. Entonces, el siguiente enigma es ¿por qué persiste como teoría aceptada? Parte de la respuesta puede ser que lleva tiempo (sin juego de palabras) reemplazar una teoría útil, y parte de la respuesta puede ser el primer principio de Feynman.

En cualquier caso, ofrezco una teoría alternativa de la relatividad en Sobre el fracaso de la simultaneidad que tal vez comience a resolver este problema y otros con teorías aceptadas. Es muy corto y simple, y todo está en lenguaje sencillo, con algunas ecuaciones que un estudiante de secundaria puede escribir en la portada de una caja de cerillas. Puedes romperlo en pedazos, porque la falsificación es el papel apropiado de la ciencia , y, sin duda, también he cometido errores porque soy la persona más fácil de engañar.

Imagine un universo paralelo donde las reglas de la física son diferentes … que la gravedad en realidad no es una propiedad inherente de la materia en absoluto … sino que la gravedad es inducida por campos de partículas cósmicas desde el espacio abierto.

En este caso, cuando considera que el tiempo parece ralentizarse en un campo gravitacional fuerte, y después de una consideración exhaustiva, parece evidente que el tiempo “se mueve más lentamente” porque estar en un campo gravitacional fuerte implica estar bastante cerca de un objeto muy masivo … y los objetos muy masivos tienden a proteger todo en su proximidad de cosas como los campos de partículas cósmicas. Entonces, en este universo paralelo, algo sobre el impacto de los campos de partículas cósmicas es al menos una parte de lo que impulsa los procesos físicos de movimiento / vibración / energización rítmica que medimos cada vez que medimos el tiempo.


Sorpresa. No hay universo paralelo. Esa es una descripción precisa de nuestro universo.

Ofrezco un pensamiento. Supongamos que estás cerca de un agujero negro y te estoy observando.
Cerca de un agujero negro, experimenta el tiempo al ritmo normal. Pero yo, un observador remoto, veo que su reloj avanza lentamente. Y así olvidarse del movimiento adecuado o la expansión del espacio. (que son efectos relativistas especiales) La luz que emites cerca del agujero negro cambia de color rojo cuando escapa del campo gravitacional extremo y lo veo.
El desplazamiento hacia el rojo corresponde a una frecuencia más baja debido a un mayor período de la onda de luz. El período aumentado es la desaceleración de su tiempo tal como lo veo.
No ves un cambio de luz roja que creas.
Por cierto, mi visión de su reloj a medida que avanza por el horizonte de eventos del agujero negro, es que veo que su reloj se detuvo y que no recibo ninguna luz (la frecuencia de la luz que recibiría es cero)

De acuerdo, aquí hay una respuesta MUY simple [probablemente incompleta y quizás incluso incorrecta] de un no físico que no ha estudiado física desde el primer año en la universidad. La gravedad dobla el espacio. Cuando el espacio se dobla, las distancias se hacen mayores (nada es más corto que una línea recta, a pesar de los agujeros de gusano). Para viajar esa distancia más larga en la misma cantidad de tiempo a la misma velocidad, el tiempo tendría que disminuir para el viajero (pero no para un observador externo). Eso es.

Podría estar completamente equivocado, y probablemente he dejado de lado un montón de detalles importantes que involucran transformaciones de Lorentz, marcos de referencia, simultaneidad, la velocidad de la luz, etc., pero así es como siempre lo he entendido. ¿Me hice el ridículo?

Se ha escrito una respuesta excelente, pero intentaré reducirla en otro nivel mediante una comparación.

Piense en ello como nadar en un río.
Contra la corriente, pierdes velocidad.

Piensa en una gravedad bien como un líquido,
con más viscosidad que el agua o el aire.

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