¿Cómo afecta la dilatación del tiempo gravitacional a la materia?

Hay una idea errónea común de que la dilatación del tiempo es una especie de proceso activo, es decir, algo actúa sobre el observador dilatado para ralentizar su tiempo. Este no es el caso. En cambio, la dilatación del tiempo existe porque dos observadores miden el tiempo de diferentes maneras.

Suponiendo que se encuentre en la superficie de la Tierra, un observador en Plutón observaría que su tiempo se dilata, es decir, sus relojes correrían más rápido que el suyo. Pero, ¿su tiempo se siente dilatado para usted? Sus relojes aún funcionan a un segundo por segundo. Sus núcleos radiactivos todavía se descomponen al mismo ritmo. En lo que a ti concierne, tu tiempo transcurre con total normalidad.

Medimos el tiempo y el espacio usando algún conjunto de coordenadas. Por lo general, medimos la posición en el espacio configurando$x$,$y$y$z$ejes, y para medir el tiempo usamos un cuarto$t$eje. Esto lo convierte en un gráfico de cuatro dimensiones, que es un poco difícil de visualizar, pero matemáticamente es sencillo. Entonces podemos rastrear el flujo del tiempo por la rapidez con que se mueven los objetos a lo largo del eje del tiempo. Para obtener más información sobre esto, consulte: ¿ Qué es el tiempo, fluye y, de ser así, qué define su dirección?

El observador en Plutón también usa coordenadas para medir el tiempo, pero debido a la curvatura del espacio-tiempo, su eje de tiempo no es el mismo que el tuyo, y esto significa que miden el tiempo de manera diferente. Es por eso que el observador en Plutón observa que su tiempo se dilata.

Entonces, la respuesta a su pregunta es que la dilatación del tiempo no afecta a la materia en el sentido de que algún mecanismo activo actúe sobre la materia. Todo lo que significa es que diferentes observadores miden el tiempo de manera diferente porque sus definiciones para el eje del tiempo son diferentes.

¿Son los átomos oscilantes realmente ralentizados por el efecto de la dilatación del tiempo?

Sí. El experimento de Hafele-Keating muestra que los relojes atómicos se ven afectados por la dilatación del tiempo gravitacional. Y el experimento de Pound-Rebka muestra que la frecuencia de los rayos gamma emitidos por los átomos excitados se ve afectada por la dilatación del tiempo gravitacional.

La dilatación del tiempo gravitacional es un efecto objetivo real, a diferencia de la dilatación del tiempo subjetiva aparente de la relatividad especial. Los observadores que están estacionarios entre sí (en el espacio) pero a diferentes "alturas" en un campo gravitatorio estarán de acuerdo en que el tiempo corre a diferentes velocidades en cada una de sus localidades, y el observador para quien el tiempo corre a una velocidad más lenta es más profundo. en el campo gravitatorio. Los observadores que están en la misma localidad pero tienen diferentes historiales de aceleración tendrán diferentes medidas de tiempo transcurrido y estarán de acuerdo en quién ha tenido la mayor aceleración.

Ningún observador puede detectar la dilatación del tiempo gravitatorio mediante observaciones puramente locales en el espacio. Los relojes locales de todos funcionan a un segundo por segundo; esto es una tautología. Pero la comparación de relojes no locales que están estacionarios (en el espacio) entre sí establece que la dilatación del tiempo gravitacional es un efecto real.

Debería. De hecho, este es el núcleo del principio de la relatividad y GR no es necesario en este punto. Para ver esto, expresemos el principio de la relatividad de una manera un poco, pero en mi opinión, más profunda: “Un observador a velocidad constante nunca debería ser capaz de notar su aceleración pasada a menos que la presencie por sí mismo” . La idea aquí es que si alguien que inicialmente estaba en reposo con respecto a otro observador y luego se duerme, solo para despertar después de que uno de ellos fue acelerado, debería ser imposible para él decir que él fue el que fue acelerado. En su marco, ambos estados de velocidad constante, antes y después, deberían verse exactamente iguales.

Ahora imagina el clásico experimento mental de los gemelos . Ambos gemelos están inicialmente en reposo relativamente entre sí en el espacio exterior. Se mueven en naves espaciales separadas, configuran un temporizador para acelerar aleatoriamente una de ellas y se duermen profundamente. Cuando se despiertan, en algún momento después de la fase de aceleración., uno de ellos notará que el reloj de pulsera y el envejecimiento de ella parecen estar de acuerdo. Era una niña al comienzo del experimento, pero sus canas y arrugas sí concuerdan con los 50 años transcurridos en su reloj. Ahora bien, si la aceleración no afecta a todos los relojes del mundo (incluidos los biológicos) exactamente de la misma manera, su hermana en la otra nave espacial podrá decir que ella fue la acelerada, ya que su envejecimiento no coincide con el 1 pase un año de su reloj de pulsera, incluso si en esta fase del experimento se encuentra en un movimiento uniforme. En otras palabras, las chicas han inventado una forma de comprobar su propio estado de movimiento constante, lo que debería ser siempre imposible de hacer, pase lo que pase.

Reemplace la fase de aceleración con una honda gravitacional y si el movimiento constante fuera imposible de verificar por uno mismo, no tiene más remedio que admitir que la gravedad afecta a todos los relojes de la misma manera.

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El punto clave aquí es que todo tipo de relojes imaginables (atómicos, mecánicos, lo que sea...) en el mismo marco miden el mismo tiempo, pero aquellos en diferentes marcos miden un valor diferente, y esta diferencia solo se puede notar cuando los relojes que inicialmente estaban sincronizados, se aceleran y luego se vuelven a armar. Es imposible verificar esta diferencia desde dentro de un marco de referencia individual sin mirar hacia afuera. Debido a este hecho, es imposible que alguien en cualquier marco individual sienta una especie de dilatación del tiempo. Entonces la dilatación del tiempo no es una fuerza física.eso hace que los relojes en el marco acelerado se desaceleren. Lo que se puede decir es que la energía puesta en el sistema (la que causa la aceleración) cambia fundamentalmente la forma en que esos marcos relacionan las tasas de espacio y tiempo entre sí al cambiar el factor de corrección (representado por el tensor métrico) que usan para intercambiar medidas de espacio-tiempo.

Siento que necesito agregar esta respuesta porque actualmente hay dos respuestas excelentes de @JohnRennie y @gandalf61, pero si las observa a primera vista, puede parecer que son contradictorias. En realidad no lo son, pero creo que necesita una pequeña explicación.

Vea la excelente respuesta de gandalf61 que le dice desde el principio, sí, los átomos oscilantes en realidad se ralentizan dentro de un campo gravitatorio. Entonces, la excelente respuesta de John Rennie dice que la dilatación del tiempo no es un proceso activo, sino que existe, porque dos observadores miden el tiempo de diferentes maneras.

la "fuerza" gravitacional experimentada localmente mientras se está parado sobre un cuerpo masivo (como la Tierra) es la misma que la pseudofuerza experimentada por un observador en un marco de referencia no inercial (acelerado).

https://en.wikipedia.org/wiki/Equivalence_principle

Ahora bien, por imposible que parezca, ambos tienen razón. Es muy importante entender que la velocidad es relativa pero la aceleración es absoluta. Según el principio de equivalencia, los efectos de un campo gravitatorio pueden ser indistinguibles de la aceleración.

Como lo explica John Rennie, los dos relojes atómicos se encuentran en dos campos gravitatorios de diferente fuerza, por lo que se mueven a lo largo de diferentes ejes de tiempo (los efectos del campo gravitatorio doblan los ejes de diferentes maneras, por así decirlo), miden el tiempo de manera diferente.

En realidad, gandalf61 dice lo mismo en un comentario, explicando que en un experimento, dos relojes atómicos volaron alrededor y cuando se encontraron nuevamente (juntos y con un tercer reloj), sus diferencias (es decir, marcaron diferentes cantidades), fueron de acuerdo con GR.

Están diciendo lo mismo, que los relojes se movían a lo largo de diferentes ejes de tiempo (en parte porque se movían/existían a diferentes profundidades bajo un potencial gravitacional), y un eje de tiempo se doblaba más por los efectos de la gravedad que otro, causando la relojes para marcar a diferentes ritmos.

Es muy importante comprender que este efecto en las velocidades del reloj solo es realizable cuando se compara con otros relojes, que existían a diferentes profundidades bajo un potencial gravitatorio (se movían a lo largo de diferentes ejes de tiempo). Si tiene un solo reloj, no puede decir que el reloj comienza a funcionar más lento a medida que se mueve hacia un campo gravitacional (potencial) más fuerte, porque no hay nada con qué compararlo. Siempre debe comparar su reloj con otro reloj que se encuentre en un campo gravitatorio de otra fuerza (esté a diferentes profundidades por debajo de un potencial gravitacional) para darse cuenta de la diferencia de velocidad del reloj.

Entonces, como dices, ¿este efecto es absoluto en los relojes? Podrías decir que sí, pero eso sería engañoso, porque si no hay nada con lo que compararlo, no puedes darte cuenta. Siempre tienes que comparar tu reloj con otro para darte cuenta del efecto de la dilatación del tiempo GR.

Creo que solo la respuesta de @ JohnRennie aborda adecuadamente el punto de la pregunta. La dilatación del tiempo es un efecto que es evidente solo para los observadores que se mueven en relación con el marco que parece estar dilatado en el tiempo; en ese marco en sí, nada cambia.

A menudo se dice que los relojes en movimiento van lentos, lo cual es una declaración engañosa, ya que da la impresión de que el reloj en sí se ha ralentizado, lo cual no es correcto.

Si aumenta su velocidad, entonces su hora local (es decir, la hora en la que se encuentra en su marco de reposo) pasa al mismo ritmo que la hora en cualquier otro punto en cualquier otro marco de referencia. Solo cuando se compara el tiempo transcurrido en un lugar en un cuadro con el tiempo en dos lugares separados en un cuadro en movimiento, aparece una discrepancia.

En SR, el fenómeno de la dilatación del tiempo surge porque el eje del tiempo en su marco de reposo está inclinado en relación con el eje del tiempo en un marco de referencia que se mueve en relación con usted. Esto significa que a medida que te mueves por el espacio en otro marco de referencia, te mueves de regiones de tiempo anterior en ese marco a regiones de tiempo posterior.

La analogía no es exacta, pero si te imaginas viajando hacia el este alrededor de la Tierra saliendo de Londres al mediodía, pasarás por sucesivas zonas horarias en las que la hora local se atrasa progresivamente. Si aterriza en Tokio a la medianoche en su reloj, la hora local será las 7 am, por lo que parecerá que ha perdido 7 horas. No es porque su reloj se haya atrasado, sino porque se ha movido a un lugar donde la hora está adelantada siete horas.

El fenómeno de la dilatación del tiempo en RS surge de manera similar. A medida que se mueve a través de un marco de referencia, la línea base de su movimiento no es un plano horizontal de simultaneidad en ese marco, sino uno inclinado. En tu marco de reposo en cualquier momento dado es la misma hora en todas partes. Si es exactamente mediodía donde usted se encuentra, también es exactamente mediodía a una milla por delante de usted. Sin embargo, en el punto del espacio-tiempo que corresponde al mediodía a una milla por delante de usted en su marco, ya es pasado el mediodía en el marco en movimiento . Al igual que cuando despegas al mediodía en Londres, ya son las 7 de la tarde en Tokio.

Si aún necesita convencerse de que los relojes en movimiento en realidad no se ralentizan, considere el siguiente experimento mental. Si echa un vistazo a la manecilla de segundos de su reloj, verá que se mueve a un ritmo determinado. En relación con un cuadro que pasa a 1000 mph, su reloj parecerá perder continuamente una pequeña cantidad de tiempo en comparación con los relojes sucesivos en ese cuadro. En relación con un marco que lo pasa a 100,000 mph, su reloj parecerá estar funcionando aún más lento. En comparación con los relojes en un marco que pasa a una velocidad lo suficientemente rápida, su segundero parecerá estar funcionando una vez al año. Su reloj parece estar funcionando a diferentes velocidades dependiendo de la velocidad relativa del cuadro con el que se compara.

En GR, la dilatación del tiempo tiene una causa similar, pero en lugar de involucrar planos de simultaneidad que están inclinados entre sí, involucra superficies de tiempo curvas.

Lo siguiente es más bien solo un comentario sobre la pregunta OP actual (que, sin embargo, supera los 600 caracteres):

Harvey: "[...] ¿Los átomos oscilantes son realmente lentos por el efecto de la dilatación del tiempo resultante de un objeto gravitacional mayor [?]"

¿Debería esta pregunta, y la pregunta OP en su conjunto, interpretarse en el siguiente sentido concreto, por ejemplo:

"¿Es la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental de un átomo de cesio-133 que está adecuadamente soportado contra la caída (hacia algún objeto cercano significativamente masivo como la Tierra) más pequeña que la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado de un átomo de cesio-133 (adecuadamente libre) ?"

??

(Si es así, no estoy calificado ni particularmente interesado en responder esta pregunta, o preguntas similares, sobre física atómica).

Si no, entonces, según tengo entendido, la declaración de la pregunta OP requiere aclaración, revisión, mejora. (Obviamente, esto puede abordarse de varias maneras. Una sugerencia que consideraría valiosa podría ser preguntar concretamente:
"¿Qué queremos decir exactamente cuando decimos que un oscilador ha estado 'oscilando más lento' que algún otro oscilador?"... )

Bueno, sí. El cambio Doppler de gravedad Pound-Rebka del experimento Pound-Rebka definitivamente indica que los sistemas materiales físicos con frecuencias características SÍ tienen un comportamiento diferente dependiendo de sus posiciones relativas en un campo de gravedad. Sus relojes internos no están de acuerdo, tal como lo requiere la Relatividad General.

El efecto es pequeño, pero una determinación muy precisa de la frecuencia de los rayos gamma verifica la variación del tiempo.

Los relojes atómicos registran la oscilación regular de los átomos. Así es como son capaces de mantener un tiempo increíblemente preciso. Cuanto más cerca está un reloj atómico de la fuente de gravitación, más lento registra el tiempo, mientras que cuanto más lejos está, más rápido registra el tiempo (medido por observadores distantes).

El hecho de que los campos gravitatorios afecten los relojes atómicos de esta manera, podemos suponer con seguridad que las oscilaciones de los átomos en realidad se ralentizan por los campos gravitatorios (medidos por un observador distante).

Citando la parte de su pregunta a la que estoy respondiendo:

Cuando describimos la dilatación del tiempo como resultado de la gravedad, ¿estamos diciendo que el movimiento de todas las partículas diminutas, incluidas las partículas subatómicas, en realidad se está desacelerando?

Aquí hay que tener cuidado con la expresión 'disminuir la velocidad'.

Permítanme hacer una comparación:
Como sabemos: el calor es el movimiento de los átomos que componen una sustancia. Los átomos/moléculas de un gas tienen una distribución de velocidades. Esa distribución tiene un promedio. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la velocidad media. Enfriar una sustancia significa que estás disminuyendo la velocidad térmica.

El efecto de dilatación del tiempo no es comparable a ese tipo de desaceleración.

Recomiendo enfáticamente no pensar en términos de más lento/más rápido, lo llevará por mal camino.

Un enfoque más cauteloso es pensar en la dilatación del tiempo en términos de una descripción operativa de la misma.

Gandalf61, colaborador de Physics.SE, ya mencionó el experimento de Hafele-Keating.

El punto del experimento en el que la goma se encuentra con la carretera es cuando los dos relojes se vuelven a unir . Cuando los dos relojes vuelven a estar uno al lado del otro, la comparación no tiene ambigüedad.

Se ve que para un reloj ha transcurrido una cantidad menor de tiempo propio que para el otro reloj.

Repito: recomiendo pensar en términos de cantidad de tiempo adecuado y no pensar en términos de más lento/más rápido.

La idea aquí es ser minimalista . Expresar el mínimo que sea suficiente para describir la observación y mantenerse alejado de la interpretación de la observación.

Para la forma en que opera la gravedad no se conoce ningún mecanismo subyacente. Para formular GR en absoluto se debe conceder el principio de equivalencia .

La justificación para conceder esa suposición es el éxito de GR como teoría de la física.

De alguna manera, la forma o forma de la gravedad establece un sesgo, de modo que más profundo en un pozo gravitatorio transcurre una cantidad menor de tiempo propio en comparación con la cantidad de tiempo propio que transcurre a mayor altitud.

Este sesgo, cualquiera que sea su naturaleza, es un verdadero efecto físico . Este sesgo no es un efecto aparente.