В рамках специальной и общей теорий относительности время перестает быть абсолютной величиной. Его измерение становится относительным, зависящим от системы отсчета наблюдателя и его скорости относительно исследуемого объекта, а также от гравитационного поля. При переходе к релятивистским условиям классические методы хронометрии нуждаются в коррекции для учета этих эффектов.
Ключевым понятием является инвариантность интервала. В отличие от абсолютного времени ньютоновской механики, интервал между событиями в пространственно-временном континууме:
s2 = c2Δt2 − Δx2 − Δy2 − Δz2
остается неизменным при преобразованиях Лоренца. Именно этот интервал используется для корректного сравнения временных измерений в различных системах отсчета.
Замедление времени (time dilation) проявляется при движении объекта с большой скоростью относительно наблюдателя. Часы, движущиеся со скоростью v, будут идти медленнее по сравнению с часами покоящейся системы:
$$ \Delta t' = \frac{\Delta t}{\sqrt{1 - v^2/c^2}} $$
где Δt — время, измеренное в системе покоя, а Δt′ — измеренное временем на движущемся объекте. Этот эффект подтвержден многочисленными экспериментами, включая измерения жизни быстрых мюонов в космических лучах и точные опыты с атомными часами на самолетах и спутниках.
Эксперимент с быстрыми частицами. Частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями, живут дольше в лабораторной системе отсчета, чем предсказывалась бы ньютоновская механика, что полностью согласуется с формулой замедления времени.
В общей теории относительности, помимо относительной скорости, на ход времени влияет гравитация. Часы в сильном гравитационном поле идут медленнее, чем часы на удалении от источника гравитации. Это выражается формулой:
$$ \Delta t_f = \Delta t_0 \sqrt{1 - \frac{2GM}{rc^2}} $$
где M — масса источника гравитации, r — расстояние до центра масс, G — гравитационная постоянная, а Δt0 — время, измеренное вдали от источника. Этот эффект подтверждается экспериментами с атомными часами на Земле и на спутниках, а также наблюдением красного смещения частот в спектрах звезд и галактик.
Применение в GPS. Спутниковая навигация требует корректировки времени сигналов с учетом как скорости спутника, так и гравитационного потенциала Земли, иначе погрешности накопятся до километров за сутки.
Атомные и ионные часы. Современные часы на основе цезия и иона алюминия демонстрируют точность до 10−18, что позволяет выявлять релятивистские эффекты даже при изменении высоты на несколько сантиметров.
Синхронизация удаленных систем. Лазерные импульсы и радиосигналы используются для передачи времени между различными точками, с последующей корректировкой релятивистских сдвигов.
Частичные эксперименты с частицами. Использование ускорителей позволяет наблюдать прямое влияние скорости на собственное время частиц, их жизнь и частоту колебаний.
Эти измерения подтверждают фундаментальные постулаты релятивистской физики: скорость света постоянна во всех инерциальных системах, а пространство и время взаимосвязаны в единую структуру — пространство-время.