astronomie

Obecná teorie relativity dělá různé předpovědi o chování prostoru a času. Jednou z těchto předpovědí, v každodenních termínech, je, že čím silnější je gravitace, tím pomalejší je tempo času. Takové prohlášení je velmi v rozporu s naším intuitivním vnímáním času jako toku, který všichni sdílíme. Čas se vždy zdálo, nejvíce demokratických pojmů: všichni z nás, bez ohledu na bohatství nebo postavení, se pohybují spolu od kolébky do hrobu ve velkém proudu času.

ale Einstein tvrdil, že se nám to zdá jen proto, že všichni lidé dosud žili a zemřeli v gravitačním prostředí Země. Neměli jsme šanci otestovat myšlenku, že tempo času může záviset na síle gravitace, protože jsme nezažili radikálně odlišné gravitace. Kromě toho jsou rozdíly v toku času extrémně malé, dokud nejsou zapojeny skutečně velké hmoty. Nicméně Einsteinova předpověď byla nyní testována, a to jak na Zemi, tak ve vesmíru.

Testy Času

důmyslný experiment v roce 1959 používá nejvíce přesné atomové hodiny známo, porovnat měření času na přízemí a horní patro stavební fyziku na Harvardově Univerzitě. Pro hodiny experimentátoři použili frekvenci (počet cyklů za sekundu) gama paprsků emitovaných radioaktivním kobaltem. Einsteinova teorie předpovídá, že takové kobaltové hodiny v přízemí, které jsou o něco blíže těžišti země, by měly běžet velmi mírně pomaleji než stejné hodiny v nejvyšším patře. To je přesně to, co experimenty pozorovaly. Později byly atomové hodiny vzaty do vysoce létajících letadel a dokonce i na jednom z kosmických letů Gemini. V každém případě hodiny dále od země běžely o něco rychleji. Zatímco v roce 1959 nezáleželo na tom, zda hodiny v horní části budovy běžely rychleji než hodiny v suterénu, dnes je tento efekt velmi relevantní. Každý smartphone nebo zařízení, které synchronizuje s GPS musí správně (jak uvidíme v další části), protože hodiny na satelity poběží rychleji, než hodiny na Zemi.

účinek je výraznější, pokud je dotyčná gravitace slunce a ne Země. Pokud silnější gravitace zpomaluje tempo času, pak to bude trvat déle, pro světlo nebo rádiové vlny, které prochází velmi blízko okraje Slunce dostat se na Zemi, než bychom očekávali na základě Newtonova gravitačního zákona. (Trvá to déle, protože časoprostor je zakřivený v blízkosti Slunce.) Čím menší je vzdálenost mezi paprskem světla a okrajem slunce při nejbližším přiblížení, tím delší bude zpoždění v době příjezdu.

v listopadu 1976, když dvě kosmické lodi Viking operovaly na povrchu Marsu, planeta šla za sluncem, jak je vidět ze země (Obrázek 1). Vědci předprogramovaných Viking poslat rádiové vlny k Zemi, že by velmi blízko k vnějším oblastech Sluneční. Podle obecné relativity by došlo ke zpoždění, protože rádiová vlna by procházela oblastí, kde čas běžel pomaleji. Experiment byl schopen potvrdit Einsteinovu teorii do 0,1%.

Obrázek 1. Časová zpoždění rádiových vln poblíž Slunce: rádiové signály z přistávacího modulu Viking na Marsu byly zpožděny, když procházely blízko Slunce, kde je prostoročas relativně silně zakřivený. Na tomto obrázku je prostoročas zobrazen jako dvourozměrný gumový plech.

Gravitační rudý posuv

Co to znamená říci, že čas běží pomaleji? Když světlo vychází z oblasti silné gravitace, kde se čas zpomaluje, světlo zažívá změnu své frekvence a vlnové délky. Abychom pochopili, co se stane, připomeňme si, že vlna světla je opakujícím se jevem-hřeben sleduje hřeben s velkou pravidelností. V tomto smyslu je každá světelná vlna malými hodinami, které udržují čas s vlnovým cyklem. Pokud silnější gravitace zpomaluje tempo času (vzhledem k vnějším pozorovatelem), pak rychlost, při které hřeben sleduje hřeben, musí být odpovídajícím způsobem pomalejší—to znamená, že vlny jsou stále méně časté.

pro udržení konstantní rychlosti světla (klíčový postulát v Einsteinových teoriích speciální a obecné relativity) musí být nižší frekvence kompenzována delší vlnovou délkou. Tento druh zvýšení vlnové délky (při způsobené pohybem zdroje) je to, co jsme tzv. rudý posuv v Záření a Spekter. Zde, protože je to gravitace a ne pohyb, který produkuje delší vlnové délky, nazýváme efekt gravitačním červeným posunem.

nástup technologie kosmického věku umožnil měřit gravitační červený posun s velmi vysokou přesností. V polovině 1970, vodíkový maser, zařízení podobné laseru, který produkuje mikrovlnná trouba rádio signál na určité vlnové délce, byla provedena raketu do výšky 10 000 km. Přístroje na zemi byly použity k porovnání frekvence signálu vysílaného raketovým maserem s frekvencí z podobného Maseru na Zemi. Experiment ukázal, že čím silnější gravitační pole na povrchu Země opravdu zpomalit tok času v poměru k měřeno maser v raketě. Pozorovaný efekt odpovídal předpovědím obecné relativity na několik částí ze 100 000.

Toto je jen několik příkladů testů, které potvrdily předpovědi obecné relativity. Dnes, obecná teorie relativity je přijímán jako naše nejlepší popis gravitace, a je používán astronomů a fyziků pochopit chování z center galaxií, začátku vesmíru, a předmět, s nímž jsme začali v této kapitole—smrt skutečně masivní hvězdy.

relativita: praktická aplikace

nyní se možná ptáte: proč by mě měla trápit relativita? Nemůžu žít svůj život dokonale dobře bez něj? Odpověď je, že nemůžete. Pokaždé, když pilot přistane letadlo, nebo můžete použít GPS k určení, kde jste na disk nebo výlet v zadní zemi, ty (nebo alespoň vaši GPS-umožnil zařízení), musí mít účinky a to jak obecné a speciální teorie relativity v úvahu.

GPS spoléhá na řadu 24 satelitů obíhajících kolem Země a nejméně 4 z nich jsou viditelné z jakéhokoli místa na Zemi. Každý satelit nese přesné atomové hodiny. Váš přijímač GPS detekuje signály z těch satelitů, které jsou nad hlavou, a vypočítá vaši polohu na základě doby, po kterou tyto signály dosáhly. Předpokládejme, že chcete vědět, kde jste do 50 stop (GPS zařízení mohou skutečně dělat mnohem lépe než toto). Protože trvá jen 50 miliardtin sekundy, než světlo cestuje 50 stop, musí být hodiny na satelitech synchronizovány alespoň s touto přesností-a proto je třeba vzít v úvahu relativistické efekty.

hodiny na satelity obíhající Zemi rychlostí 14 000 kilometrů za hodinu a pohybují mnohem rychleji, než hodiny na povrchu Země. Podle Einsteinovy teorie relativity hodiny na satelitech tikají pomaleji než hodiny založené na Zemi asi o 7 miliontin sekundy za den. (Nebavili jsme se o speciální teorii relativity, která se zabývá změnami, když se objekty pohybují velmi rychle, takže pro tuto část budete muset vzít naše slovo.)

oběžné dráhy družic jsou 20 000 kilometrů nad zemí, kde je gravitace asi čtyřikrát slabší než na zemském povrchu. Obecná relativita říká, že oběžné hodiny by měly tikat asi 45 miliontin sekundy rychleji než na Zemi. Čistý efekt spočívá v tom, že čas na satelitních hodinách postupuje přibližně o 38 mikrosekund denně. Pokud by tyto relativistické efekty nebyly vzaty v úvahu, navigační chyby by se začaly sčítat a pozice by byly pryč asi 7 mil za jediný den.

Glosář

gravitační červený posun:

zvýšení vlnové délky elektromagnetické vlny (světla) při šíření z masivního objektu nebo v jeho blízkosti