Скорость течения времени на земле и на солнце — Университеты и ВУЗы Белгорода

Опубликовано: 28.08.2018

Из общей теории относительности следует, что чем сильнее гравитационное поле в заданной точке простран­ства, тем медленнее там течет время. Это значит, что всег­да на больших небесных телах время течет медленнее, чем на малых. Если бы в мире не было материи, то не было бы и пространства и времени. Неотделимость времени от ма­терии проявляется в существовании конкретной связи между массой и временем. Все процессы с массами проис­ходят во времени, скорость же течения времени, в свою очередь, зависит от величины ближайших масс.

Рассмотрим теперь подробнее, как измеряется ско­рость течения времени на других небесных телах.

Атом каждого элемента излучает определенный прису­щий только этому элементу спектр света. Так, например, свет, излученный атомом водорода, состоит из четырех спектральных линий: первая из них имеет частоту 457 млн. Мгц (красная линия), вторая — 617 млн. Мгц (светло-синяя линия), третья — 691 млн. Мгц (темно-си­няя линия) и, наконец, четвертая — с частотой 755 млн. Мгц (фиолетовая линия).

Из общей теории относительности следует, что чем сильнее гравитационное поле в заданной точке простран­ства, тем медленнее там течет время. Это значит, что всег­да на больших небесных телах время течет медленнее, чем на малых. Если бы в мире не было материи, то не было бы и пространства и времени. Неотделимость времени от ма­терии проявляется в существовании конкретной связи между массой и временем. Все процессы с массами проис­ходят во времени, скорость же течения времени, в свою очередь, зависит от величины ближайших масс.

Рассмотрим теперь подробнее, как измеряется ско­рость течения времени на других небесных телах.

Атом каждого элемента излучает определенный прису­щий только этому элементу спектр света. Так, например, свет, излученный атомом водорода, состоит из четырех спектральных линий: первая из них имеет частоту 457 млн. Мгц (красная линия), вторая — 617 млн. Мгц (светло-синяя линия), третья — 691 млн. Мгц (темно-си­няя линия) и, наконец, четвертая — с частотой 755 млн. Мгц (фиолетовая линия).

Если на Солнце время течет медленнее, чем на Земле, то это должно оказывать влияние и на атомы. На Солнце частота излучения атома определяется течением времени на Солнце, атом же, находящийся на Земле, излучает в соответствии с течением времени на Земле. Частота све­та,  идущего  от  Солнца,  поэтому  должна  отличаться от частоты излучения земных источников света. Рассмот­рим этот вопрос конкретнее.

 

Рис. 56. Спектр водорода зем­ного источника (верхняя по­лоса) по сравнению со спект­ром солнечного водорода (нижняя полоса). Для нагляд­ности смещение линий нижне­го спектра по отношению к верхнему увеличено в 10000 раз

Hα — красная спектральная линия; Hβ— светло-синяя;     Нγ — темно-синяя   ; Hδ —фиолетовая

 

Предположим, что атомы водорода на Солнце излучают свет, который совершает за одну солнечную секунду 4,57 • 1014 колебаний. Пусть этот свет достигает Земли и при этом его частота остается прежней. Так как на Земле время течет быстрее, чем на Солнце, то земная секунда короче солнечной. Тот самый свет, который на Солнце имел частоту, равную 4,57 • 1014 гц (т. е. за одну солнечную секунду совершал столько колебаний), на Земле будет иметь частоту, меньшую на 109 гц (т. е. за одну земную секунду будет совершать на 109 колебаний меньше). В то же время на Земле атомы водорода излучают свет с часто­той 4,57 • 1014 гц. Таким образом, свет, излученный атома­ми водорода на Солнце, будет иметь меньшую частоту, чем свет, излученный атомами водорода на Земле. Так как с уменьшением частоты спектр света смещается «в красную сторону», то в спектре солнечного света все линии будут смещены в сторону более длинных волн по сравнению с линиями спектра, полученного в земной лаборатории. Сравнение спектров должно дать приблизительно такую картину, как на рис. 56, где верхняя полоса изображает линии спектра земного водорода, а нижняя — те же са­мые линии в спектре солнечного водорода. Для наглядно­сти сдвиг линий увеличен приблизительно в 10000 раз.

Существует ли в действительности такое смещение спектральных линий? Чтобы ответить на этот вопрос, нуж­но сравнить спектр света, пришедшего до нас от Солнца или от других звезд, со спектром света земного источника. Трудность заключается в том, что смещение спектра может быть вызвано не только разницей в скорости течения вре­мени, но рядом других причин. Если, например, звезда удаляется от нас, спектральные линии излученного ею све­та будут смещены в красную сторону; у приближающейся звезды, напротив, спектральные линии будут сдвигаться в фиолетовую сторону (эффект Допплера). Даже движение со скоростью несколько километров в секунду вызывает больший сдвиг спектральных линий, чем гравитационное смещение в спектрах таких звезд, как Солнце. Кроме того, атомы в звездных атмосферах движутся с очень большими скоростями — одни атомы в данный момент приближаются к нам, другие удаляются от нас. Поэтому спектральные линии одной части атомов будут смещаться в красную сто­рону, а другой части — в фиолетовую сторону. Вследствие этого спектральная линия будет уширяться, что будет за­труднять точное определение сдвига ее положения. И все же измерения, правда, не вполне уверенно, показывают, что линии солнечного спектра действительно сдвинуты в красную сторону и притом на ожидаемую величину.

Лучше, чем у света, идущего от Солнца, эффект крас­ного смещения заметен в спектре меньшего компонента Сириуса. Сириус — двойная звезда, один компонент кото­рой (так называемый спутник) обладает большой плотно­стью; его масса примерно равна массе Солнца, а диаметр составляет всего 0,8% диаметра Солнца. Один кубический сантиметр массы спутника Сириуса составляет около 2 т. Благодаря большой концентрации массы сила тяжести на поверхности спутника Сириуса в 20 раз больше, чем на поверхности Солнца, поэтому время на спутнике течет значительно медленнее, чем на Солнце. Вследствие этого спектральные линии спутника Сириуса должны быть сдви­нуты в несколько десятков раз больше по сравнению с ли­ниями солнечного спектра. Это смещение действительно было обнаружено. Соответствует ли в точности величина смещения предсказанной теоретически, все же еще нельзя сказать, так как диаметр спутника Сириуса и масса его неизвестны с достаточной точностью, а величина смещения спектральных линий зависит от массы и плотности звезды. Во всяком случае наблюдения подтверждают, что предска­занное общей теорией относительности гравитационное смещение спектральных линий существует. Это показыва­ет, что вблизи больших масс время течет медленнее, чем вблизи малых масс.

Замедленное течение времени в сильном гравитацион­ном поле — одно из следствий общей теории относительно­сти. Общая теория относительности, в свою очередь, осно­вывается на принципе эквивалентности, который утверж­дает равенство тяжелой и инертной масс. Используя идеи квантовой теории, легко убедиться, что красное смещение спектральных линий света, излучаемого массивными не­бесными телами, непосредственно следует уже из равен­ства тяжелой и инертной масс.

Одним из основных понятий квантовой теории являет­ся понятие о квантах света (фотонах): электромагнитная волна с частотой ѵ обладает такими свойствами, как если бы она состояла из отдельных частиц — фотонов. При этом энергия каждого фотона равна

E = hѵ,    (а)

где h — так называемая постоянная Планка, численное значение которой равно h = 6,62 • 10-27 эрг-сек.

Применим теперь  закон эквивалентности массы и энергии. Согласно этому закону, инертная масса каждого фотона равна

m= hv/c2    (б)

Хотя масса покоя фотона равна нулю, как мы уже ви­дели раньше, масса фотона, движущегося со скоростью света, имеет конечное значение, которое определяется фор­мулой (б).

Далее мы уже отмечали, что инертная и тяжелая мас­сы всегда равны. Следовательно, формула (б) определяет и тяжелую массу фотона.

Итак, у фотонов всегда имеется тяжелая масса. Други­ми словами, фотоны подчиняются действию силы тяжести. Например, на фотоны, излученные Солнцем, действует си­ла тяжести, которая притягивает их обратно, и для пре­одоления этой силы тяжести фотоны должны затратить оп­ределенную энергию. Энергия фотонов, достигших Землю, будет меньше той энергии, которую они имели на Солнце. Из формулы (а) видно, что энергия фотона может умень­шиться только в том случае, если уменьшается частота света ѵ. Отсюда следует, что частота света, приходя­щего с Солнца на Землю, должна уменьшаться, т. е. долж­но существовать красное смещение спектральных линий.

rss