Перспективы межпланетной синхронизации времени и что будет после GPS

Часы показывают, что чем больше гравитация объекта, тем медленнее течет время в его окрестностях. Это связано с устройством четырехмерного пространства-времени в нашей Вселенной. У черной дыры, как известно, гравитационное поле очень сильно, и поэтому в больших черных дырах время течет медленнее с нашей точки зрения.

В чем разница во времени между космосом и Землей?

И именно поэтому, что МКС движется в космосе с такой высокой скоростью, время на ней замедляется. This is due to the relativistic time dilation explained in special relativity. Действительно, часы на МКС отстают от земных часов. Однако эта разница настолько мала, что составляет всего 0,01 секунды за каждый 12 месяцев.

Почему в космосе время идет медленнее?

В расширяющейся Вселенной, согласно общей теории относительности, космологическое расширение также влияет на восприятие времени, из-за чего удаленные космические события происходят медленнее, чем происходящие в настоящее время. Эффект был предсказан Эйнштейном в 1915 году, и экспериментально подтвержден в 2023 году.

Почему в космосе время идет медленнее, чем на Земле? Ответы пользователей

Из-за снижения гравитации время на МКС идет быстрее на 0,00000354 сек. в день. Время течет еще быстрее на спутниках, находящихся на более высоких орбитах, поскольку там гравитация еще меньше. Таким образом, в космосе время движется медленнее, когда мы приближаемся к поверхности планеты.

19 января 2022 года — Именно поэтому, что МКС движется в космосе с такой высокой скоростью, время там замедляется. Основной причиной является релятивистское замедление, описанное в .

5 июня 2019 года — Время движется медленнее, когда выше гравитационный потенциал. Это не следует путать с замедлением времени из-за большой скорости, это немного иначе.

27 января 2020 года — Космическая станция движется против Земли со скоростью около 8 километров в секунду. Это, согласно эффекту релятивистского замедления, приводит к тому, что…

Для каждого объекта в движении время идет медленнее, чем для того, кто остаётся в покое. Благодаря релятивистскому замедлению времени для…

8 сентября 2021 года — Дело не в расстоянии от Земли, а в относительном движении. Те, кто движутся на большой скорости, у них время идет медленнее в соответствии с теорией относительности.

Если бы вы могли видеть земные часы, вы заметили бы, что время на них течет медленнее. Это происходит потому, что Земля в этот момент совершается.

15 августа 2015 года — В космосе и на Земле время течет по-разному. Ученые заявляют, что это связано с гравитацией. Чем она сильнее, тем медленнее движется время.

10 июля 2019 года — Известно, что время под воздействием гравитации течет медленнее, то есть чем сильнее гравитация, тем больше искривление пространства.

Космическое время: особенности

Космическое время протекает совершенно иначе на Земле и за её пределами. Чтобы понять, как время существует в Космосе, необходимо разобраться в понятиях релятивистского и гравитационного замедления.

Основная идея гравитационного замедления заключается в том, что недалеко от массивных объектов время замедляется, так как сила тяготения искажает ключевые физические константы. Чем сильнее притяжение, тем медленнее проходит время. В тех областях космического пространства, где нет звезд, данное замедление отсутствует.

Из этого можно сделать еще один вывод: время во Вселенной идет по-разному в ее разных уголках. Вблизи черных дыр оно замедляется, а вдали от массивных объектов, наоборот, увеличивается.

Из теории Эйнштейна следует, что гравитационное поле создает искривление пространства-времени. Это явление было экспериментально подтверждено в 50-х годах прошлого века.

Суть релятивистского замедления заключается в том, что на поверхности космического тела, движущегося с определенной скоростью, время также замедляется. Это можно ярко проиллюстрировать так называемым эффектом близнецов. Допустим, один из близнецов отправляется в космическое путешествие на большой скорости, а другой остается на Земле. Когда вернувшийся близнец попадает на Землю, он постарел на один или два года, тогда как его брат, оставшийся на планете, стал старше на 10 лет по сравнению с ним.

Пример: ракета, движущаяся на скорости, близкой к скорости света, преодолеет за год расстояние, что Земля считает равным ста и более лет. Но космонавт, управляющий ракетой, увидит, как время проходит обычно. Только наблюдатели на Земле удостоверились бы в замедлении, посмотрев на часы внутри ракеты. А сам космонавт, глядя на часы с поверхности планеты, увидел бы, что они движутся медленнее.

Еще один наглядный пример: для человека в самолете время будет течь медленнее в сравнении с тем, кто находится на земле. Разница незначительна и составит лишь миллиардную долю секунды.

Различия в восприятии времени

На основе теории относительности можно проанализировать, как течет время в космосе. Во Вселенной время идет по-разному: близость к массивным космическим объектам замедляет его течение, тогда как на больших расстояниях от них – ускоряет. Это принципиально отличается от привычного понимания времени в повседневной жизни как константы.

В физике время рассматривается как физическая величина и характеристика порядка мира без строгого определения. Оно необходимо для описания всех процессов. Время в физике считается абсолютным и движется равномерно. В соответствии с ньютоновской механикой, каждому числу может быть соотнесен определённый момент времени. С другой стороны, согласно второму закону термодинамики, время обладает необратимым характером.

В специальной теории относительности время является релятивным и представляет собой часть пространства-времени. Оно четырехмерно и тоже непостоянно. Общая теория относительности описывает влияние гравитационного поля на истечение времени. Чем больше гравитационное тело, тем медленнее движется время. На горизонте событий черной дыры время останавливается.

Задержка передачи данных

Во-первых, следует учитывать значительное запаздывание в передаче данных. По галактическим и даже межпланетным стандартам расстояния, на которых работает интернет Земли, кажутся очень скромными. Сигнал передается со скоростью света; соответственно, расстояние между Лондоном и Мельбурном преодолевается примерно за 50 миллисекунд. Однако при обмене сигналами между Землей и Марсом (кстати, это время нужно корректировать с учетом взаимного расположения планет) сигнал может занять между тремя и двадцатью двумя минутами.

Если мы получаем пакет данных от марсохода, такая задержка вполне допустима. Но для обмена мгновенными сообщениями такие задержки недопустимы, и передача информации о состоянии будет проблематичной. На самом деле, современный интернет, в котором информация передается по TCP-каналам, просто не сможет функционировать при таких задержках. Кроме того, традиционная спутниковая связь будет постоянно страдать от помех, вызванных другими небесными телами или солнечными излучениями. В долгосрочной перспективе эта сложная проблема может быть решена установкой репетиторов в точках Лагранжа или с помощью триангуляции. Но даже с этими решениями возникнут серьезные трудности, что потребует разработки специального протокола связи.

Часы в космосе

Большинство современных межпланетных миссий функционируют по земному времени – во время сеансов связи с Землей аппараты синхронизируют свои часы. Если регулярная связь с Землей окажется невозможной, потребуется альтернативная синхронизация.

В настоящее время синхронизация космических часов осуществляется через сеть дальней космической связи, состоящую из трех основных антенн, расположенных в Калифорнии, Испании и Австралии. Это обеспечивает покрытие всего ближнего космоса:

Сеть функционирует с 1977 года, однако радиотелескопы, входящие в её состав, устаревают, и финансирование сокращается. Наилучшим решением для постепенной замены этой сети мог бы стать межпланетный интернет. Если удастся установить средства синхронизации времени в точках Лагранжа, это значительно ускорит создание данного сегмента интернета.

Среди основателей интернета, наряду с Ликлайдером, был Уинтон Сёрф, который в настоящее время работает главным евангелистом интернета в Google. Он также сотрудничал с NASA и занимался разработкой сетевых систем, устойчивых к задержкам и предназначенных для телекоммуникаций с центром управления космосом. Сёрф стремился обеспечить интерактивную связь; одним из первых удачных экспериментов с его протоколом стала передача десятков изображений с корабля Epoxi и обратно на этот корабль, когда он направлялся к комете Темпеля на расстоянии более 30 миллионов километров от Земли.

В последующем протокол Сёрфа использовался для управления роботизированной тележкой, собранной из кубиков Lego и находившейся в немецком Дармштадте. Пульт от тележки оказался в руках Суниты Уильямс, которая в то время работала на МКС. С технической точки зрения это также могло бы быть реализовано с любого небесного тела в ближнем космосе. Около десяти лет назад протокол Сёрфа был протестирован для передачи информации с помощью лазеров – в сентябре 2013 года NASA тестировало оптическую передачу данных в космосе, удаленно управляя лунным модулем LADEE. Скорость передачи данных при этом составила около 30 кбит/с, что сопоставимо со скоростью модема из середины 90-х годов.

Интересные факты о времени в космосе

Существует известный фильм “Интерстеллар”, который наглядно демонстрирует феномен, возникающий из-за действия гравитации. Режиссер Кристофер Нолан создал увлекательный сценарий, в котором главные герои попадают на планету, названную Миллер.

Её особенностью является то, что из-за низкой гравитации час на этой планете соответствует нашим 7 годам на Земле. Вернувшись на свой космический корабль спустя около трех часов, герои заметили, что их коллега прождал 23 года, а его поседевшие волосы говорят о том, как много времени прошло. Так в реальной жизни может произойти и в космосе.

Не стоит думать, что время на Земле и в космосе для человека изменится.

Все останется таким же, независимо от гравитации. Он не будет ощущать, что время проходит быстрее или медленнее.

Тем не менее, если бы кто-то с Земли наблюдал за космонавтом, он бы заметил, что на корабле все происходит медленнее. И такая же ситуация была бы и наоборот.

К тому же человек, привыкший к Земле, заметит, что секунды движутся слишком быстро, если он начнет следить за часами. Система отсчета изменится, особенно во время движения космического корабля. Данная ситуация происходит из-за второй главной части теории относительности, согласно которой релятивистское замедление влияет не только на внутренние ощущения, но и на физические процессы в организме.

Существует также космическое явление, напрямую связанное с теорией относительности, которое назвали Крестом Эйнштейна. Он находится в созвездии Пегаса на расстоянии примерно 8 миллиардов световых лет.

Ближе к нам находится зеркальная галактика, способная создавать невероятные оптические эффекты. Благодаря её сильной гравитации, квазар делится на 4 световых луча, и иногда её путают с черной дырой.

Эти космические тела обладают уникальной способностью изменять направление электромагнитного излучения благодаря своему гравитационному полю. Это похоже на обыденные линзы, которые отражают и изменяют качество света.

Заключение

Основываясь на принципах относительности, можно узнать не только о том, как проходит время на орбите Земли, но и на других планетах.

На Марсе из-за слабой гравитации по сравнению с Землей часы должны идти значительно быстрее. В то же время на Юпитере ситуация будет совершенно иной, так как его гравитационное поле в несколько раз сильнее, чем у третьей планеты от Солнца.

Космос полон разнообразных объектов, и невозможно с точностью сказать, как именно там проходит время. Если рядом окажется черная дыра, то время может остановиться из-за колоссальной гравитации. Или же, наоборот, в области, где нет массивных объектов, может наблюдаться ускорение времени.

И нет ясности, насколько бы быстро оно двигалось.

Альберт Эйнштейн своим трудом по теории относительности коренным образом изменил предварительно существовавшие теории, открытые до него.

Учёным удалось по-новому взглянуть на концепцию времени и осознать невозможность его постоянного существования в различных местах и условиях.

Таким образом, космос стал еще более загадочным и непостижимым, чем ранее, ведь это потребовало проведения множества перерасчетов и экспериментов. Именно сейчас, когда люди только начали мечтать о дальних космических экспедициях.

Несмотря на кажущуюся разницу во времени между космосом и Землей, она не так велика. И лишь при определенном уровне скорости передвижения расстояние между двумя точками может создать внушительный разрыв. Но на данный момент это еще не подвластно ученым, поскольку никто не покидал орбиту нашей планеты.

Можем ли мы путешествовать со скоростью света?

К сожалению, мы не можем путешествовать со световой скоростью.

Если подумать, когда объект движется со скоростью света, его масса будет расти в геометрической прогрессии! Это следует учитывать: скорость света составляет примерно 299 792 километров в секунду (или 1 079 252 848,8 километра в час). Когда объект движется с такими скоростями, его масса становится бесконечной, что противоречит законам физики.

Таким образом, для перемещения любого объекта потребуется бесконечная энергия, что невозможно. Именно из-за этого ни один материальный объект не может двигаться со световой скоростью или с превышением этой скорости.

Сколько времени потребуется для преодоления одного светового года? (Световой год — это расстояние, которое свет проходит в вакууме за один год, что составляет около 10 триллионов километров).

На световой скорости: один год
На половине скорости света: два года
Корабли Breakthrough Starshot, которые будут путешествовать со скоростью 0,2s: примерно 5 лет
На скорости самого быстрого искусственного объекта в истории (Гелиос 2): примерно 4269 лет
При скорости атома водорода внутри солнечного ядра: примерно 15 500 лет
На максимальной скорости ракеты Saturn V, которая доставила человека на Луну: примерно 108 867 лет
На скорости самого быстрого в мире самолета: примерно 305 975 лет
На скорости звука: примерно 882 327 лет
На скорости автомобиля по шоссе: около 8 388 270 лет
При скорости ходьбы: примерно 215 993 799 лет
На скорости улитки: около 83 304 201 370 000 лет.

Сколько времени потребуется для путешествия на расстояние одного светового года со скоростью, равной одной десятой скорости света?

Наивно предполагать, что путешественнику потребуется ровно десять лет.

Однако, подобные вещи могут произойти, когда вы перемещаетесь с близкой к световой скоростью.

Предположим, что космонавт находится на космическом корабле, который движется со скоростью в одну десятую скорости света, и он покидает Землю для полета к гипотетической планете на расстоянии одного светового года.

Наблюдатель, оставшийся на Земле, видит, как космонавт совершает путешествие. Действительно, с точки зрения наблюдателя, космонавту понадобится десять лет, чтобы достичь этой планеты. Но поскольку путешественник движется на субсветовой скорости, время для него идет медленнее, чем для наблюдателя.

Каждый раз, когда часы на Земле отсчитывают минуту, на космическом корабле время проходит немного менее минуты.

Это означает, что с точки зрения путешественника (внутри космического корабля) потребуется меньше десяти лет, чтобы достичь цели!

Разница в этом случае представляется довольно незначительной: составляет около 99,4% от десяти лет. Это указывает на то, что космическое путешествие займет примерно на двадцать дней меньше времени, чем у наблюдателя на Земле.

Существует уравнение для расчета замедления времени в зависимости от относительной скорости объекта:

Где Δ?0 — временной интервал путешественника (называемый собственным временем), Δ? ′ — временной интервал на Земле, ? — скорость путешественника (сравненная с земной), а ? — скорость света.

Для обычных скоростей (например, скорости самолетов) ? мала, и эффекты замедления времени незначительны. Но если мы движемся со скоростью, превышающей 1/10 скорости света, замечательные эффекты становятся заметными.

Что произойдет, если мы будем двигаться близко к скорости света?
Если говорить о скорости, почти равной скорости света, например 90% от скорости света, то будут наблюдаться весьма интересные эффекты.

С одной стороны, человек, движущийся с такой скоростью, столкнется с замедлением времени. Для этого человека время будет течь медленнее, чем для того, кто не движется.

Например, если человек путешествует в космосе на скорости 90% от скорости света, то для этого человека пройдет всего 10 минут, тогда как для наблюдателя на Земле пройдет 20 минут. Это означает, что время сократится вдвое!

Кроме этого, поле зрения космического путешественника кардинально изменится. Мир перед ним будет выглядеть как туннельная перспектива через окно своего космического корабля. Звезды, находящиеся впереди, будут казаться голубыми, тогда как звезды за спиной — красными.

Это происходит из-за того, что световые волны от звезд, находящихся перед кораблем, будут сжиматься, в результате чего они будут казаться голубыми, в то время как световые волны от звезд за кораблем будут расходиться, что создаст красный сдвиг, вызывая эффект Доплера.

При преодолении определенной скорости космический путешественник увидит лишь черноту, так как длина волны света, попадающего на его глаза, окажется вне видимого спектра.

Замедление времени усиливается при наращивании скорости. Допустим, если космический корабль движется со скоростью 99,999999% от скорости света — тогда, с точки зрения наблюдателя на Земле, космонавт движется фактически со световой скоростью, и ему потребуется всего один год, чтобы добраться до планеты, находящейся на расстоянии одного светового года.