astronomi

generel relativitetsteori giver forskellige forudsigelser om opførsel af rum og tid. En af disse forudsigelser, sat i hverdagen, er, at jo stærkere tyngdekraften er, jo langsommere er tidens tempo. En sådan erklæring går meget imod vores intuitive følelse af tid som en strøm, som vi alle deler. Tiden har altid virket som den mest demokratiske af begreber: vi alle, uanset rigdom eller status, ser ud til at bevæge os sammen fra vuggen til graven i tidens store strøm.

men Einstein hævdede, at det kun virker på denne måde for os, fordi alle mennesker hidtil har levet og døde i jordens gravitationsmiljø. Vi har ikke haft nogen chance for at teste tanken om, at tempoet i tiden kan afhænge af tyngdekraften, fordi vi ikke har oplevet radikalt forskellige graviteter. Desuden er forskellene i tidens strøm ekstremt små, indtil virkelig store masser er involveret. Ikke desto mindre er Einsteins forudsigelse nu blevet testet, både på jorden og i rummet.

Tidstestene

et genialt eksperiment i 1959 brugte det mest nøjagtige atomur, der var kendt for at sammenligne tidsmålinger i stueetagen og øverste etage i fysikbygningen ved Harvard University. For et ur brugte eksperimenterne frekvensen (antallet af cyklusser pr. Einsteins teori forudsiger, at et sådant koboltur i stueetagen, der er lidt tættere på jordens tyngdepunkt, skal køre meget lidt langsommere end det samme ur på øverste etage. Det er netop, hvad eksperimenterne observerede. Senere blev atomure optaget i højtflyvende fly og endda på en af Gemini-rumflyvningerne. I hvert tilfælde løb urene længere væk fra jorden lidt hurtigere. Mens det i 1959 ikke gjorde noget meget, om uret øverst i bygningen løb hurtigere end uret i kælderen, er denne effekt i dag meget relevant. Hver smartphone eller enhed, der synkroniseres med en GPS, skal korrigere for dette (som vi vil se i næste afsnit), da urene på satellitter kører hurtigere end ure på jorden.

effekten er mere udtalt, hvis tyngdekraften involveret er Solens og ikke jordens. Hvis stærkere tyngdekraft sænker tempoet i tiden, vil det tage længere tid for en lys-eller radiobølge, der passerer meget nær solens kant, at nå jorden, end vi ville forvente på grundlag af tyngdeloven. (Det tager længere tid, fordi rumtiden er buet i nærheden af solen.) Jo mindre afstanden mellem lysstrålen og solens kant ved nærmeste tilgang, jo længere bliver forsinkelsen i ankomsttiden.

i November 1976, da de to Viking rumfartøjer opererede på Mars overflade, gik planeten bag Solen set fra jorden (Figur 1). Forskere havde forprogrammeret Viking til at sende en radiobølge mod Jorden, der ville gå ekstremt tæt på Solens ydre områder. Ifølge generel relativitet ville der være en forsinkelse, fordi radiobølgen ville passere gennem et område, hvor tiden løb langsommere. Eksperimentet var i stand til at bekræfte Einsteins teori til inden for 0,1%.

Figur 1. Tidsforsinkelser for radiobølger nær Solen: radiosignaler fra Vikingelanderen på Mars blev forsinket, da de passerede nær Solen, hvor rumtiden er buet relativt stærkt. På dette billede er spacetime afbildet som et todimensionelt gummiplade.

gravitationel rødforskydning

Hvad betyder det at sige, at tiden løber langsommere? Når lys kommer ud af et område med stærk tyngdekraft, hvor tiden går langsommere, oplever lyset en ændring i dets frekvens og bølgelængde. For at forstå, hvad der sker, lad os huske, at en bølge af lys er et gentagende fænomen—crest følger crest med stor regelmæssighed. I denne forstand er hver lysbølge et lille ur, der holder tiden med sin bølgecyklus. Hvis stærkere tyngdekraft bremser tempoet (i forhold til en ekstern observatør), skal den hastighed, hvormed crest følger crest, være tilsvarende langsommere—dvs.bølgerne bliver mindre hyppige.

for at opretholde konstant lyshastighed (nøglepostulatet i Einsteins teorier om speciel og generel relativitet) skal den lavere frekvens kompenseres med en længere bølgelængde. Denne form for stigning i bølgelængde (når den er forårsaget af kildens bevægelse) er det, vi kaldte en rødforskydning i stråling og spektre. Her, fordi det er tyngdekraft og ikke bevægelse, der producerer de længere bølgelængder, kalder vi effekten en gravitationsrødskift.

fremkomsten af rumalderteknologi gjorde det muligt at måle gravitationsredshift med meget høj nøjagtighed. I midten af 1970 ‘ erne blev en brintmaser, en enhed, der ligner en laser, der producerer et mikrobølgeradiosignal ved en bestemt bølgelængde, båret af en raket til en højde på 10.000 kilometer. Instrumenter på jorden blev brugt til at sammenligne frekvensen af signalet udsendt af den raketbårne maser med det fra en lignende maser på jorden. Eksperimentet viste, at det stærkere tyngdefelt på jordens overflade virkelig sænkede tidsstrømmen i forhold til det, der blev målt af maseren i raketten. Den observerede effekt matchede forudsigelserne af generel relativitet til inden for få dele i 100.000.

dette er kun nogle få eksempler på tests, der har bekræftet forudsigelserne om generel relativitet. I dag accepteres generel relativitet som vores bedste beskrivelse af tyngdekraften og bruges af astronomer og fysikere til at forstå opførelsen af galaksernes Centre, universets begyndelse og det emne, som vi begyndte dette kapitel med—død af virkelig massive stjerner.

relativitet: en praktisk anvendelse

nu Kan du spørge: hvorfor skal jeg være generet af relativitet? Kan jeg ikke leve mit liv perfekt uden det? Svaret er, at du ikke kan. hver gang en pilot lander et fly, eller du bruger en GPS til at bestemme, hvor du er på et drev eller en vandretur i baglandet, skal du (eller i det mindste din GPS-aktiverede enhed) tage hensyn til virkningerne af både generel og speciel relativitet.

GPS er afhængig af en række 24 satellitter, der kredser om Jorden, og mindst 4 af dem er synlige fra ethvert sted på jorden. Hver satellit bærer et præcist atomur. Din GPS-modtager registrerer signalerne fra de satellitter, der er overhead og beregner din position baseret på den tid, det har taget disse signaler at nå dig. Antag, at du vil vide, hvor du er inden for 50 fod (GPS-enheder kan faktisk gøre meget bedre end dette). Da det kun tager 50 milliarddele af et sekund for lys at rejse 50 fod, skal urene på satellitterne synkroniseres til mindst denne nøjagtighed—og relativistiske effekter skal derfor tages i betragtning.

urene på satellitterne kredser jorden med en hastighed på 14.000 kilometer i timen og bevæger sig meget hurtigere end ure på jordens overflade. Ifølge Einsteins relativitetsteori tikker urene på satellitterne langsommere end jordbaserede ure med omkring 7 milliontedele af et sekund om dagen. (Vi har ikke diskuteret den specielle relativitetsteori, der beskæftiger sig med ændringer, når objekter bevæger sig meget hurtigt, så du bliver nødt til at tage vores ord for denne del.)

satellitternes baner er 20.000 kilometer over jorden, hvor tyngdekraften er cirka fire gange svagere end på jordens overflade. Generel relativitet siger, at de kredsende ure skal krydse omkring 45 milliontedele af et sekund hurtigere end de ville på jorden. Nettoeffekten er, at tiden på et satellitur skrider frem med omkring 38 mikrosekunder pr. Hvis disse relativistiske effekter ikke blev taget i betragtning, ville navigationsfejl begynde at tilføje sig, og positionerne ville være slukket med omkring 7 miles på kun en enkelt dag.

ordliste

gravitationel rødforskydning:

en stigning i bølgelængden af en elektromagnetisk bølge (lys), når den formeres fra eller nær en massiv genstand