Tego rodzaju pytania mają długą i zaszczytną historię. Jako młody student Einstein próbował sobie wyobrazić, jak wyglądałaby fala elektromagnetyczna z punktu widzenia jadącego obok motocyklisty. Ale teraz wiemy, dzięki samemu Einsteinowi, że naprawdę nie ma sensu rozmawiać o takich obserwatorach.

Najprostszy argument opiera się na pozytywistycznym założeniu, że pojęcia coś znaczą tylko wtedy, gdy można zdefiniować jak je mierzyć operacyjnie. Jeśli zaakceptujemy tę filozoficzną postawę (która w żadnym wypadku nie jest zgodna z każdą koncepcją, jaką kiedykolwiek dyskutujemy w fizyce), wówczas musimy być w stanie fizycznie zrealizować tę ramę w kategoriach obserwatora i urządzeń pomiarowych. Ale nie możemy. Przyspieszenie Einsteina i jego motocykla do prędkości światła wymagałoby nieskończonej ilości energii.

Ponieważ argumenty z pozytywizmu mogą często zabić doskonale interesujące i rozsądne koncepcje, możemy zapytać, czy są inne powody, dla których nie zezwolić na takie ramki. Tam są. Jednym z najbardziej podstawowych pomysłów geometrycznych jest przecięcie. W teorii względności spodziewamy się, że nawet jeśli różni obserwatorzy nie zgadzają się w wielu sprawach, zgadzają się co do przecięć linii świata. Albo cząstki się zderzyły, albo nie. Strzała albo trafiła w tarczę, albo nie. Tak więc, chociaż ogólna teoria względności jest znacznie bardziej pobłażliwa niż mechanika Newtona, jeśli chodzi o zmiany współrzędnych, istnieje ograniczenie, że powinny one być gładkimi funkcjami jeden do jednego. Gdyby istniało coś takiego jak transformacja Lorentza dla v = c, nie byłoby to jeden do jednego, więc nie byłoby matematycznie zgodne ze strukturą względności. (Łatwym sposobem, aby zobaczyć, że nie może to być jeden do jednego, jest to, że skrócenie długości zmniejszyłoby skończoną odległość do punktu).

Co by było, gdyby system oddziałujących ze sobą, bezmasowych cząstek był świadomy i mógł dokonywać obserwacji? Argument podany w poprzednim akapicie dowodzi, że nie jest to możliwe, ale powiedzmy to bardziej wyraźnie. Są dwie możliwości. Prędkość V środka masy układu porusza się w punkcie c lub nie. Jeśli V = c, to wszystkie cząstki poruszają się wzdłuż równoległych linii i dlatego nie oddziałują na siebie, nie mogą wykonywać obliczeń i nie mogą być świadome. (Jest to również zgodne z faktem, że właściwy czas s cząstki poruszającej się w c jest stały, ds = 0). Jeśli V jest mniejsze niż c, to układ odniesienia obserwatora nie porusza się w c. Tak czy inaczej, nie otrzymujemy obserwatora poruszającego się na c.

Nie możesz podróżować z prędkością światła. Jest to więc bezsensowne pytanie.

Powodem, dla którego niektórzy ludzie powiedzą, że czas zamarza z prędkością światła jest to, że można wziąć dwa punkty na dowolnej ścieżce przechodzącej przez czasoprzestrzeń z prędkością mniejszą niż prędkość światła i obliczyć ilość czasu, jaką cząstka przeżyłaby, podróżując między tymi punktami na tej ścieżce. Obliczenie jest następujące:

$$ \ Delta \ tau ^ 2 = \ Delta t ^ 2 - \ frac {1} {c ^ 2} (\ Delta x ^ 2 + \ Delta y ^ 2 + \ Delta z ^ 2) $$

gdzie $ \ Delta \ tau $ to czas doświadczany przez podróżującą cząstkę, a pozostałe $ \ Delta $ to różnice we współrzędnych czasu i przestrzeni między dwa punkty zmierzone przez obserwatora zewnętrznego. Jeśli wykonasz te same obliczenia i zastosujesz je na ślepo do ścieżki poruszającej się z prędkością światła, otrzymasz $ \ Delta \ tau = 0 $.

Tak, zgadzam się z Davidem. Gdybyś w jakiś sposób był w stanie podróżować z prędkością światła, wydawałoby się, że „Twój czas” nie posunąłby się naprzód w porównaniu z czasem odniesienia po powrocie do „normalnych” prędkości. Można to zamodelować za pomocą równania dylatacji czasu Lorentza:

$$ T = \ frac {T_0} {\ sqrt {1 - (v ^ 2 / c ^ 2)}} $$

Podróżując z prędkością światła ($ v = c $), pozostawiony pod radykałem miałbyś 0. Ta odpowiedź byłaby nieokreślona lub nieskończona, jeśli chcesz (przejdźmy do nieskończoności). Czas odniesienia ($ T_0 $) podzielony przez zero byłby nieskończonością; dlatego możesz wywnioskować, że czas jest „zamrożony” w obiekcie poruszającym się z prędkością światła.

Prędkość jest względna, więc nie ma znaczenia, czy „podróżujesz” z pewną prędkością względem czegoś, czy coś porusza się z pewną prędkością względem ciebie - efekty są takie same. W tej chwili masz obiekty we wszechświecie podróżujące z szerokim zakresem prędkości względem ciebie. Jeśli zdecydowałeś się zmienić swoją prędkość na bliską prędkości światła w porównaniu z obecną, przekonasz się, że zakres prędkości obiektów względem ciebie jest nadal taki sam. Dzieje się tak, ponieważ obiekty, które podróżowały blisko c w kierunku twojego wzrostu, zwolniły, a obiekty, które podróżowały w przeciwnym kierunku, zwiększyłyby swoją prędkość.

Jednak przekonasz się również, że tak jak obiekty zwiększają swoją prędkość względem ciebie, sekwencja wydarzeń tam zwalnia, a to obejmuje działanie ich zegarów z twojego punktu widzenia, który zbliża się do zera, gdy ich prędkość zbliża się do prędkości światła.

Jak już wspomniałem, nie możesz podróżować z prędkością światła, ale możesz spojrzeć na ograniczenia, do których zmierzamy, gdy się do nich zbliżamy.

Więc gdybym miał podróżować statek kosmiczny poruszający się z prędkością światła, czy zatrzymałbym się i przestał się poruszać?

Z perspektywy stacjonarnego obserwatora , gdyby twój statek kosmiczny podróżował z blisko do prędkości światła, czas na statku kosmicznym zwolniłby (zbliżyłby się do zera lub zamarł). Co to znaczy? Wszystko w statku kosmicznym poruszałoby się bardzo wolno, np. osoba w ruchu, sygnały elektryczne, wszystko jest spowolnione o tę samą wielkość (co widzi nieruchomy obserwator).

Z perspektywy osoby na statku kosmicznym czas wydaje się podróżuj w normalnym tempie (ponieważ jeśli czas zwalnia, nie zauważasz tego, ponieważ wszystko zwalnia w tym samym tempie, w tym proces myślenia). Więc nic wewnątrz statku kosmicznego nie wydaje się dziwne. Jeśli jednak obserwujesz gwiazdy, które mijają, zobaczysz dziwne efekty spowodowane aberracją i przesunięciem dopplerowskim.

Zobacz ten link, aby zobaczyć, co widziałaby sonda kosmiczna podróżująca z relatywistyczną prędkością.

Czy wszechświat wokół mnie zatrzymałby się i przestałby się poruszać?

Nie, wszechświat nadal działa tak, jak zwykle. Zasadniczo w statku kosmicznym czas płynie wolniej niż na zewnątrz w pozostałej części wszechświata. Więc wewnątrz starzejesz się wolniej niż ktoś na zewnątrz. Jednak nie zauważysz tego (czas wydaje się biegać normalnie z twojej perspektywy) i zobaczysz po prostu, że gwiazdy na zewnątrz stają się przesunięte na niebiesko (z powodu efektu dopplerowskiego dużej prędkości i przesunięte w kierunku punktu wokół twojego kierunku podróży (z powodu do aberracji)). Zobacz link powyżej, aby uzyskać więcej informacji na ten temat.

Dla kogo czas się zatrzymał?

Z ich perspektywy nikt nie zauważa spowolnienia czasu. Zamiast tego tylko stacjonarny obserwator zauważa, że ​​czas zwalnia osobę w statku kosmicznym.

Czas nie zamarzł. Zamiast tego wszystkie wydarzenia na świecie będą miały miejsce w tym samym czasie i miejscu (z punktu widzenia obserwatora podróżującego z prędkością światła).

Lepiej byłoby powiedzieć, że świat (tj. Przestrzeń & czas ) zwinąłby się w jeden punkt.

Mogę odpowiedzieć na Twoje trzecie pytanie, na inne już udzielono odpowiedzi. Oto dwa podstawowe pytania, na które należy odpowiedzieć:

1. czy Twój czas zatrzymałby się dla zewnętrznego obserwatora
2. czas zamarzłby dla Ciebie lub czego byś doświadczył

Odpowiedź na nr 1 brzmi: tak. Ich opis matematyczny w innych odpowiedziach jest poprawny, więc nie będę go powtarzał. Ale żeby to zrozumieć, wyobraź sobie, że masz w swoim ciele małe zegary fotonowe. (zgodnie z najlepszą wiedzą dzisiaj wyobrażamy sobie większość naszej masy / energii z powodu bezmasowych gluonów przemieszczających się / oscylujących z prędkością cw jakimś zamknięciu i kwarków, ale nikt nie wie, jaka byłaby struktura kwarka, myślimy o tym jako punktowe). Więc weźmiemy małe zegary fotonowe jako analogię do gluonów. Zegar fotonowy ma lustra, a lustra odbijają foton, czyli tik. Gdy twoje ciało przyspiesza, fotony musiałyby dogonić lustra, ale przy prędkości c lustra również poruszałyby się z prędkością c, więc fotony nigdy nie dotarłyby do lustra, żadnych kleszczy. Twój czas zamarł dla zewnętrznego obserwatora.

Aby zaznaczyć, oznaczałoby to również, że wewnętrzna struktura twojego ciała zamarzłaby dla zewnętrznego obserwatora, ponieważ nie można było już o nim przesyłać żadnych informacji, ponieważ jego fragmenty poruszałyby się z prędkością c, a interakcje wewnątrz Twoje ciało i zegary fotonowe wydawałyby się zamrożone.

Teraz również, aby wskazać, zgodnie ze skróceniem długości SR, rozmiar twojego ciała również byłby punktowy dla obserwatora.

Teraz odpowiedź nr 2 nie jest taka prosta.Nadal widziałbyś, jak własne zegary fotonowe działają normalnie.Twoje ciało działałoby zatem normalnie.Ale zobaczyłbyś cały czwarty słaby.w skrócie.Widziałbyś całą oś czasu na całej jej ścieżce, początek wszechświata i koniec, a wszystko to pomiędzy nimi jako migawki.I oczywiście, ponieważ przeglądarka 3D może zobaczyć każdy kawałek płaszczyzny 2D na raz (bez przeszkód), teraz przeglądarka 4D widziałaby każdy kawałek świata 3D bez przeszkód, rozłożona, każda struktura 3D byłaby rozłożona, więcże bez przeszkód można było zobaczyć wszystko.

Gdy podróżujesz z prędkością światła, czas nie „istnieje”. No cóż. Jeśli ciało porusza się z prędkością światła, jego początek i cel są takie same. Pytanie nie ma sensu, ponieważ podróżowanie z prędkością światła oznacza, że ​​zawsze byłeś i zawsze będziesz podróżować z prędkością światła. Oczywiście z punktu widzenia obserwatora prędkość światła jest określoną liczbą, ale dla fotonu czas nie jest „rzeczą”. Więc ogólnie nie zamarzłby tak bardzo, jak przestałby istnieć.

Nie zgadzam się z tymi, którzy odrzucają to pytanie. Jak przypomina nam Ben Crowell - rozważał to sam Einstein.

Jednym z aspektów względności, który jest często pomijany, jest jej wzajemność. Jeśli poruszasz się względem mnie, to wszelkie efekty relatywistyczne, które dotyczą ciebie z mojej perspektywy (np. Spowolnienie twojego zegara), odnoszą się w równym stopniu do mnie z twojej perspektywy.

Pierwszą rzeczą do zapamiętania jest to, że twoje osobiste doświadczenie czasu, znane jako twój właściwy czas, pozostanie niezmienione niezależnie od prędkości, z jaką poruszasz się w stosunku do innych obserwatorów.

Jeśli poruszasz się z prędkością bliską prędkości c w stosunku do innych obserwatorów, to z ich perspektywy wydaje się, że doświadczasz czasu w bardzo spowolnionym tempie. Efekt byłby całkowicie symetryczny, ponieważ z twojej perspektywy inni obserwatorzy wydają się być tymi, dla których czas zwolnił prawie do stanu spoczynku.

Odpowiedzi na Twoje pytania są następujące:

1) Z twojej perspektywy nie doświadczyłbyś żadnej zmiany upływu czasu na pokładzie statku kosmicznego. Gdy obserwatorzy poruszają się asymptotycznie blisko c względem ciebie, wydarzenia na statku kosmicznym będą wydawać się zamrożone w czasie.

2) Gdy mierzymy w układzie odniesienia, zegary tych obserwatorów będą wydawać się zamrożone. (Tutaj rozumiem „Wszechświat” jako każdego obserwatora, dla którego twoja prędkość względna jest bliska c).

3) Czas nie kończy się dla nikogo

Nie zgadzam się z Davidem i jego odpowiedź była dla mnie trochę dziwna.

Dla uproszczenia załóżmy, że pracujemy w $ (1, -1, -1, -1) $ przestrzeni Minkowskiego. Foton porusza się w kierunku wzdłuż osi $ x $ . W chwili 0 $ foton znajduje się w punkcie $ (0,0,0,0) $ , a w czasie 1 $ w punkcie $ (1, c, 0,0) $ .

Zatem odległość czasoprzestrzenna tych dwóch zdarzeń jest $$ c ^ 2- (c-0) ^ 2 = 0 $$

W rezultacie foton nie „porusza się” w przestrzeni Minkowskiego. Ponieważ jedynym sposobem na zidentyfikowanie dwóch różnych zdarzeń jest użycie metryki, oznacza to, że te dwa zdarzenia są nierozróżnialne. Ale tego typu zjawisko jest dość powszechne w matematyce; linie świata fotonu stają się w ten sposób elementem zamkniętej liniowej podprzestrzeni przestrzeni Minkowskiego. Odległość czasoprzestrzenna w przestrzeni ilorazowej można jeszcze zdefiniować, aw szczególności możemy przypisać zero jako wartość dla czasu początkowego, jeśli chcielibyśmy zachować prawo addytywności.