Förstå tidsdilatationseffekter i fysik

Tidsutvidgning är fenomenet där två objekt som rör sig relativt varandra (eller till och med bara en annan intensitet av gravitationsfältet från varandra) upplever olika tidsflödeshastigheter.

Relativ hastighetsdilatation

Tidsutvidgningen som ses på grund av relativ hastighet härrör från speciell relativitet. Om två observatörer, Janet och Jim, rör sig i motsatta riktningar och när de passerar varandra noterar de att den andra personens klocka kryssar långsammare än sin egen. Om Judy körde längs Janet med samma hastighet i samma riktning, skulle deras klockor kryssa i samma takt, medan Jim, som går i motsatt riktning, ser båda ha långsammare klockor. Tiden verkar gå långsammare för den person som observeras än för observatören.

Gravidationstidsdilation

Tidsutvidgning på grund av att man befinner sig på olika avstånd från en gravitationsmassa beskrivs i den allmänna relativitetsteorin. Ju närmare du är en gravitationsmassa, desto långsammare verkar din klocka kryssa för en observatör längre från massan. När ett rymdskepp närmar sig ett svart hål av extrem massa, ser observatörerna tiden avta till att krypa efter dem.

Dessa två former av tidsutvidgning kombineras för en satellit som kretsar runt en planet. Å ena sidan, deras relativa hastighet för observatörer på marken bromsar tiden för satelliten. Men det längre avståndet från planeten innebär att tiden går snabbare på satelliten än på planeten. Dessa effekter kan avbryta varandra, men kan också betyda att en lägre satellit har långsammare klockor relativt ytan medan satelliter med högre kretslopp har klockor som kör snabbare relativt ytan.

Exempel på tidsdilatation

Effekterna av tidsutvidgning används ofta i science fiction-berättelser som går tillbaka till minst 1930-talet. Ett av de tidigaste och mest kända tankeexperimenten med tidsutvidgning är den berömda Twin Paradox, som demonstrerar de nyfikna effekterna av tidsutvidgning på dess mest extrema.

Tidsutvidgning blir tydligast när ett av föremålen rör sig med nästan ljusets hastighet, men det manifesteras med ännu långsammare hastigheter. Här är bara några sätt vi vet att tidsutvidgning faktiskt äger rum:

• Klockor i flygplan klickar med olika hastigheter från klockor på marken.
• Att sätta en klocka på ett berg (därmed höja den, men hålla den stillastående i förhållande till den markbaserade klockan) resulterar i något olika hastigheter.
• GPS (Global Positioning System) måste justeras för tidsutvidgning. Markbaserade enheter måste kommunicera med satelliter. För att arbeta måste de programmeras för att kompensera för tidsskillnaderna baserat på deras hastigheter och gravitationspåverkan.
• Vissa instabila partiklar existerar under en mycket kort tid innan de sönderfaller, men forskare kan betrakta dem som varaktigt längre eftersom de rör sig så snabbt att tidsutvidgning innebär den tid som partiklarna "upplever" innan de sönderfaller skiljer sig från den tid som upplevs i i vila laboratorium som gör observationerna.
• 2014 meddelade ett forskargrupp den mest exakta experimentella bekräftelsen av denna effekt som ännu har utformats, såsom beskrivs i en Scientific American artikel. De använde en partikelaccelerator för att bekräfta att tiden rör sig långsammare för en rörlig klocka än för en stillastående.