Forstå tidsdilatasjonseffekter i fysikk

Relativ hastighet og gravitasjonseffekter på tidens gang

ChakisAtelier/Getty Images

Tidsutvidelse er fenomenet der to objekter beveger seg i forhold til hverandre (eller bare en annen intensitet på gravitasjonsfelt fra hverandre) opplever forskjellige hastigheter av tidsflyt.

Relativ hastighetstidsutvidelse

Tidsutvidelsen sett på grunn av relativ hastighet stammer fra spesiell relativitet. Hvis to observatører, Janet og Jim, beveger seg i motsatte retninger og når de passerer hverandre, merker de at den andre personens klokke tikker saktere enn deres egen. Hvis Judy løp sammen med Janet i samme hastighet i samme retning, ville klokkene deres tikke i samme hastighet, mens Jim, som går i motsatt retning, ser at de begge har langsommere tikkende klokker. Tiden ser ut til å gå langsommere for personen som blir observert enn for observatøren.

Gravitasjonstidsutvidelse

Tidsutvidelse på grunn av å være i ulik avstand fra en gravitasjonsmasse er beskrevet i den generelle relativitetsteorien. Jo nærmere du er en gravitasjonsmasse, desto langsommere ser det ut til at klokken tikker for en observatør lenger fra massen. Når et romskip nærmer seg et svart hull med ekstrem masse, ser observatører at tiden går langsommere til å krype for dem.

Disse to formene for tidsutvidelse kombineres for en satellitt som kretser rundt en planet. På den ene siden reduserer deres relative hastighet til observatører på bakken tiden for satellitten. Men jo lengre avstand fra planeten betyr at tiden går raskere på satellitten enn på planetens overflate. Disse effektene kan oppheve hverandre, men kan også bety at en lavere satellitt har langsommere løpende klokker i forhold til overflaten, mens høyere bane satellitter har klokker som løper raskere i forhold til overflaten.

Eksempler på tidsutvidelse

Effektene av tidsutvidelse brukes ofte i science fiction-historier, som dateres tilbake til minst 1930-tallet. Et av de tidligste og mest kjente tankeeksperimentene med tidsutvidelse er det berømte Tvillingparadoks , som viser de merkelige effektene av tidsutvidelse på sitt mest ekstreme.

Tidsutvidelse blir mest tydelig når en av gjenstandene beveger seg med nesten lysets hastighet, men den manifesterer seg ved enda lavere hastigheter. Her er bare noen få måter vi vet at tidsutvidelse faktisk finner sted:

• Klokker i fly klikker med forskjellige hastigheter enn klokker på bakken.
• Å sette en klokke på et fjell (og dermed heve den, men holde den stasjonær i forhold til den bakkebaserte klokken) resulterer i litt forskjellige hastigheter.
• De Global Positioning System (GPS) må justere for tidsutvidelse. Bakkebaserte enheter må kommunisere med satellitter. For å fungere, må de programmeres til å kompensere for tidsforskjellene basert på hastigheter og gravitasjonspåvirkninger.
• Visse ustabile partikler eksisterer i en veldig kort periode før de forfaller, men forskere kan observere at de varer lenger fordi de beveger seg så raskt at tidsutvidelse betyr at tiden partiklene 'opplever' før de forfaller, er forskjellig fra tiden som oppleves i hvilelaboratorium som gjør observasjonene.
• I 2014 kunngjorde et forskerteam den mest presise eksperimentelle bekreftelsen av denne effekten som ennå er utviklet, som beskrevet i en Vitenskapelig amerikansk artikkel. De brukte en partikkelakselerator for å bekrefte at tiden går langsommere for en bevegelse klokke enn for en stasjonær.