Astronomie

teoria relativității generale face diverse predicții despre comportamentul spațiului și timpului. Una dintre aceste predicții, pusă în termeni de zi cu zi, este că, cu cât gravitația este mai puternică, cu atât ritmul timpului este mai lent. O astfel de afirmație contravine foarte mult sensului nostru intuitiv al timpului ca flux pe care îl împărtășim cu toții. Timpul a părut întotdeauna cel mai democratic dintre concepte: noi toți, indiferent de bogăție sau statut, par să ne mutăm împreună din leagăn în mormânt în marele curent al timpului.

dar Einstein a susținut că ni se pare așa doar pentru că toți oamenii de până acum au trăit și au murit în mediul gravitațional al Pământului. Nu am avut nicio șansă să testăm ideea că ritmul timpului ar putea depinde de forța gravitației, pentru că nu am experimentat gravități radical diferite. Mai mult, diferențele în fluxul de timp sunt extrem de mici până când sunt implicate mase cu adevărat mari. Cu toate acestea, predicția lui Einstein a fost testată acum, atât pe pământ, cât și în spațiu.

testele timpului

un experiment ingenios din 1959 a folosit cel mai precis ceas atomic cunoscut pentru a compara măsurătorile timpului de la parter și ultimul etaj al clădirii de fizică de la Universitatea Harvard. Pentru un ceas, experimentatorii au folosit frecvența (numărul de cicluri pe secundă) a razelor gamma emise de cobaltul radioactiv. Teoria lui Einstein prezice că un astfel de ceas de cobalt de la parter, fiind puțin mai aproape de centrul de greutate al Pământului, ar trebui să funcționeze foarte puțin mai lent decât același ceas de la ultimul etaj. Aceasta este exact ceea ce au observat experimentele. Mai târziu, ceasurile atomice au fost preluate în avioane cu zbor înalt și chiar pe unul dintre zborurile spațiale Gemini. În fiecare caz, ceasurile mai îndepărtate de pământ au alergat puțin mai repede. În timp ce în 1959 nu conta prea mult dacă ceasul din partea de sus a clădirii funcționa mai repede decât ceasul din subsol, astăzi acest efect este extrem de relevant. Fiecare smartphone sau dispozitiv care se sincronizează cu un GPS trebuie să corecteze acest lucru (așa cum vom vedea în secțiunea următoare), deoarece ceasurile de pe sateliți vor rula mai repede decât ceasurile de pe Pământ.

efectul este mai pronunțat dacă gravitația implicată este a soarelui și nu a Pământului. Dacă gravitația mai puternică încetinește ritmul timpului, atunci va dura mai mult pentru ca o undă de lumină sau radio care trece foarte aproape de marginea soarelui să ajungă pe Pământ decât ne-am aștepta pe baza legii gravitației lui Newton. (Durează mai mult, deoarece spațiu-timpul este curbat în vecinătatea Soarelui.) Cu cât distanța dintre raza de lumină și marginea soarelui este mai mică la cea mai apropiată apropiere, cu atât va fi mai lungă întârzierea în timpul sosirii.

în noiembrie 1976, când cele două nave spațiale Viking operau pe suprafața planetei Marte, planeta a mers în spatele Soarelui, așa cum se vede de pe Pământ (Figura 1). Oamenii de știință au preprogramat Viking pentru a trimite o undă radio spre Pământ care ar merge extrem de aproape de regiunile exterioare ale soarelui. Conform relativității generale, ar exista o întârziere, deoarece unda radio ar trece printr-o regiune în care timpul a trecut mai încet. Experimentul a fost capabil să confirme teoria lui Einstein la 0,1%.

Figura 1. Întârzieri de timp pentru undele Radio în apropierea Soarelui: semnalele Radio de la landerul Viking de pe Marte au fost întârziate când au trecut lângă Soare, unde spațiu-timpul este curbat relativ puternic. În această imagine, spațiu-timpul este reprezentat ca o foaie de cauciuc bidimensională.

Redshift gravitațional

ce înseamnă să spui că timpul trece mai încet? Când lumina iese dintr-o regiune de gravitație puternică în care timpul încetinește, lumina experimentează o schimbare a frecvenței și lungimii de undă. Pentru a înțelege ce se întâmplă, să ne amintim că un val de lumină este un fenomen repetat—creasta urmează creasta cu mare regularitate. În acest sens, fiecare undă de lumină este un mic ceas, păstrând timpul cu ciclul său de undă. Dacă gravitația mai puternică încetinește ritmul timpului (în raport cu un observator extern), atunci rata la care creasta urmează creasta trebuie să fie în mod corespunzător mai lentă—adică valurile devin mai puțin frecvente.

pentru a menține viteza constantă a luminii (postulatul cheie în teoriile lui Einstein despre relativitatea specială și generală), frecvența mai mică trebuie compensată de o lungime de undă mai mare. Acest tip de creștere a lungimii de undă (atunci când este cauzată de mișcarea sursei) este ceea ce am numit o schimbare spre roșu în radiații și Spectre. Aici, deoarece gravitația și nu mișcarea produc lungimile de undă mai lungi, numim efectul o deplasare gravitațională spre roșu.

apariția tehnologiei din epoca spațială a făcut posibilă măsurarea deplasării gravitaționale spre roșu cu o precizie foarte mare. La mijlocul anilor 1970, un maser de hidrogen, un dispozitiv asemănător unui laser care produce un semnal radio cu microunde la o anumită lungime de undă, a fost transportat de o rachetă la o altitudine de 10.000 de kilometri. Instrumentele de la sol au fost folosite pentru a compara frecvența semnalului emis de maser purtat de rachete cu cea de la un maser similar de pe Pământ. Experimentul a arătat că câmpul gravitațional mai puternic de la suprafața Pământului a încetinit într-adevăr fluxul de timp în raport cu cel măsurat de maser în rachetă. Efectul observat s-a potrivit cu predicțiile relativității generale în câteva părți din 100.000.

acestea sunt doar câteva exemple de teste care au confirmat predicțiile relativității generale. Astăzi, relativitatea generală este acceptată ca cea mai bună descriere a gravitației și este folosită de astronomi și fizicieni pentru a înțelege comportamentul centrelor galaxiilor, începutul universului și subiectul cu care am început acest capitol—moartea stelelor cu adevărat masive.

relativitatea: o aplicație practică

până acum s-ar putea să vă întrebați: de ce ar trebui să fiu deranjat de relativitate? Nu pot să-mi trăiesc viața perfect fără ea? Răspunsul este că nu se poate. de fiecare dată când un pilot aterizează un avion sau utilizați un GPS pentru a determina în cazul în care vă aflați pe o unitate sau excursie pe jos în țara din spate, tu (sau cel puțin dispozitivul GPS-ului) trebuie să ia efectele relativității generale și speciale în considerare.

GPS-ul se bazează pe o serie de 24 de sateliți care orbitează Pământul și cel puțin 4 dintre ei sunt vizibili din orice loc de pe Pământ. Fiecare satelit poartă un ceas atomic precis. Receptorul GPS detectează semnalele de la acei sateliți care sunt deasupra capului și calculează poziția dumneavoastră în funcție de momentul în care le-a luat aceste semnale pentru a ajunge la tine. Să presupunem că doriți să știți unde vă aflați la 50 de picioare (dispozitivele GPS pot face de fapt mult mai bine decât aceasta). Deoarece este nevoie de doar 50 de miliarde de secunde pentru ca lumina să călătorească 50 de picioare, ceasurile de pe sateliți trebuie sincronizate cu cel puțin această precizie—și, prin urmare, trebuie luate în considerare efectele relativiste.

ceasurile de pe sateliți orbitează Pământul cu o viteză de 14.000 de kilometri pe oră și se mișcă mult mai repede decât ceasurile de pe suprafața Pământului. Conform teoriei relativității a lui Einstein, ceasurile de pe sateliți ticăie mai încet decât ceasurile de pe Pământ cu aproximativ 7 milioane de secunde pe zi. (Nu am discutat teoria specială a relativității, care se ocupă de schimbări atunci când obiectele se mișcă foarte repede, așa că va trebui să ne luați cuvântul pentru această parte.)

orbitele sateliților sunt la 20.000 de kilometri deasupra pământului, unde gravitația este de aproximativ patru ori mai slabă decât la suprafața Pământului. Relativitatea generală spune că ceasurile care orbitează ar trebui să bifeze cu aproximativ 45 de milioane de secunde mai repede decât ar face-o pe Pământ. Efectul net este că timpul pe un ceas prin satelit avansează cu aproximativ 38 de microsecunde pe zi. Dacă aceste efecte relativiste nu ar fi luate în considerare, erorile de navigație ar începe să se adune și pozițiile ar fi oprite cu aproximativ 7 mile într-o singură zi.

Glosar

redshift gravitațional:

o creștere a lungimii de undă a unei unde electromagnetice (lumină) atunci când se propagă de la sau în apropierea unui obiect masiv