Tähtitiede

yleinen suhteellisuusteoria esittää erilaisia ennusteita avaruuden ja ajan käyttäytymisestä. Yksi näistä ennusteista, arkisin ilmaistuna, on, että mitä voimakkaampi painovoima, sitä hitaampi aika. Tällainen lausunto on hyvin paljon vastoin intuitiivista ajantajuamme virtana, jonka me kaikki jaamme. Aika on aina tuntunut käsitteistä demokraattisimmalta: me kaikki, varallisuudesta tai statuksesta riippumatta, näytämme liikkuvan yhdessä kehdosta hautaan ajan suuressa virrassa.

mutta Einstein väitti, että näin näyttää meistä vain siksi, että kaikki ihmiset ovat tähän mennessä eläneet ja kuolleet maan gravitaatioympäristössä. Meillä ei ole ollut mahdollisuutta testata ajatusta, että ajan vauhti voisi riippua painovoiman voimakkuudesta, koska emme ole kokeneet radikaalisti erilaisia gravitaatioita. Lisäksi erot ajan kulussa ovat äärimmäisen pieniä, kunnes kyse on todella suurista massoista. Einsteinin ennustusta on kuitenkin nyt testattu sekä maassa että avaruudessa.

ajan testit

nerokkaassa kokeessa vuonna 1959 käytettiin tarkinta tunnettua atomikelloa, jolla verrattiin aikamittauksia Harvardin yliopiston fysiikan rakennuksen pohjakerroksessa ja ylimmässä kerroksessa. Kelloa varten kokeilijat käyttivät radioaktiivisen koboltin lähettämien gammasäteiden taajuutta (jaksojen määrää sekunnissa). Einsteinin teoria ennustaa, että tällainen kobolttikello pohjakerroksessa, joka on hieman lähempänä maan painopistettä, käy hyvin hieman hitaammin kuin sama ylimmän kerroksen kello. Juuri tätä kokeissa havaittiin. Myöhemmin atomikelloja ryhdyttiin käyttämään korkealla lentävissä lentokoneissa ja jopa yhdellä Gemini-avaruuslennoista. Kummassakin tapauksessa kauempana maasta kellot kulkivat hieman nopeammin. Vaikka vuonna 1959 ei ollut paljonkaan väliä, kävikö rakennuksen huipulla oleva kello nopeammin kuin kellarissa oleva kello, nykyään tuo vaikutus on erittäin merkityksellinen. Jokaisen älypuhelimen tai laitteen, joka synkronoi GPS: n kanssa, on korjattava tämä (kuten näemme seuraavassa jaksossa), koska satelliittien kellot kulkevat nopeammin kuin maan kellot.

vaikutus on voimakkaampi, jos mukana oleva painovoima on auringon eikä maan. Jos voimakkaampi painovoima hidastaa aikaa, kestää kauemmin, ennen kuin hyvin lähellä auringon reunaa kulkeva valo tai radioaalto saavuttaa maan, kuin mitä Newtonin painovoimalain perusteella voisi odottaa. (Se kestää kauemmin, koska aika-avaruus on kaareva auringon läheisyydessä.) Mitä pienempi valonsäteen ja lähimpänä olevan auringon reunan välinen etäisyys on, sitä pidempi on saapumisajan viive.

marraskuussa 1976, kun kaksi Viking-avaruusalusta operoi Marsin pinnalla, planeetta meni Maasta katsottuna Auringon taakse (kuva 1). Tutkijat olivat ennalta ohjelmoineet Vikingin lähettämään radioaallon kohti maata, joka menisi äärimmäisen lähelle auringon uloimpia alueita. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan viivettä tulisi, koska radioaalto kulkisi alueen läpi, jossa aika kuluisi hitaammin. Koe pystyi vahvistamaan Einsteinin teorian 0,1 prosentin tarkkuudella.

kuvaan 1. Radioaaltojen aikaviiveet auringon lähellä: Marsin Viking-laskeutujan lähettämät Radiosignaalit viivästyivät, kun ne kulkivat lähellä Aurinkoa, jossa aika-avaruus kaartuu suhteellisen voimakkaasti. Tässä kuvassa aika-avaruus on kuvattu kaksiulotteisena kumilevynä.

Gravitaationpunasiirtymä

mitä tarkoittaa sanoa, että aika kulkee hitaammin? Kun valo syntyy voimakkaan painovoiman alueelta, jossa aika hidastuu, valo kokee taajuutensa ja aallonpituutensa muutoksen. Ymmärtää, mitä tapahtuu, muistakaamme, että Aalto valo on toistuva ilmiö-crest seuraa crest hyvin säännöllisesti. Tässä mielessä jokainen valoaalto on pieni kello, joka pitää ajan aaltosyklillään. Jos voimakkaampi painovoima hidastaa ajan vauhtia (suhteessa ulkopuoliseen havaitsijaan), on Crestin seurausnopeuden oltava vastaavasti hitaampi—eli aallot harvenevat.

valon Vakionopeuden säilyttämiseksi (Einsteinin erikois-ja yleisen suhteellisuusteorian keskeinen postulaatti) matalampi taajuus on kompensoitava pidemmällä aallonpituudella. Tällaista aallonpituuden kasvua (kun se johtuu lähteen liikkeestä) kutsumme säteilyn ja spektrien punasiirtymäksi. Koska pidemmät aallonpituudet syntyvät painovoiman eikä liikkeen vaikutuksesta, kutsumme ilmiötä gravitaation punasiirtymäksi.

avaruusajan teknologian tulo mahdollisti gravitaation punasiirtymän mittaamisen erittäin suurella tarkkuudella. 1970-luvun puolivälissä raketti kuljetti vetymaserin, laseria muistuttavan laitteen, joka tuottaa mikroaaltoradiosignaalin tietyllä aallonpituudella 10 000 kilometrin korkeuteen. Maassa olleiden instrumenttien avulla verrattiin rakettivälitteisen maserin lähettämän signaalin taajuutta maan päällä olevan vastaavan maserin lähettämän signaalin taajuuteen. Koe osoitti, että voimakkaampi gravitaatiokenttä maan pinnalla todella hidasti ajan virtausta suhteessa raketin maserilla mitattuun. Havaittu vaikutus vastasi yleisen suhteellisuusteorian ennusteita muutamassa osassa 100 000: sta.

nämä ovat vain muutamia esimerkkejä testeistä, jotka ovat vahvistaneet yleisen suhteellisuusteorian ennusteet. Nykyään yleinen suhteellisuusteoria hyväksytään parhaimmaksi kuvaukseksemme painovoimasta, ja tähtitieteilijät ja fyysikot käyttävät sitä ymmärtääkseen galaksien keskusten käyttäytymistä, maailmankaikkeuden alkua ja aihetta, jolla aloitimme tämän luvun—todella massiivisten tähtien kuolemaa.

suhteellisuusteoria: käytännön Sovellutus

tähän mennessä voi kysyä: miksi suhteellisuusteoria vaivaisi minua? Enkö voi elää elämääni täysin hyvin ilman sitä? Aina kun lentäjä laskeutuu lentokoneeseen tai käytät GPS: ää määrittääksesi, missä olet ajomatkoilla tai vaelluksella takamaassa, sinun (tai ainakin GPS-yhteensopivan laitteesi) on otettava huomioon sekä yleisen että erityisen suhteellisuusteorian vaikutukset.

GPS nojaa maata kiertävään 24 satelliitin ryhmään, joista ainakin 4 on nähtävissä mistä tahansa paikasta maapallolla. Jokaisessa satelliitissa on tarkka atomikello. GPS-vastaanottimesi havaitsee signaalit satelliiteista, jotka ovat yläpuolella, ja laskee sijaintisi sen mukaan, kuinka kauan signaalien saavuttamiseen on kulunut. Oletetaan, että haluat tietää, missä olet 50 metrin päässä (GPS-laitteet voivat itse asiassa tehdä paljon paremmin kuin tämä). Koska valon matka kestää vain 50 miljardisosaa sekunnissa, satelliittien kellot on synkronoitava vähintään tähän tarkkuuteen-ja relativistiset vaikutukset on siksi otettava huomioon.

satelliittien kellot kiertävät Maata 14 000 kilometrin tuntivauhdilla ja liikkuvat paljon nopeammin kuin maan pinnalla olevat kellot. Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan satelliittien kellot tikittävät hitaammin kuin maahan sijoitetut kellot noin 7 miljoonasosasekuntia päivässä. (Emme ole keskustelleet erityisestä suhteellisuusteoriasta, joka käsittelee muutoksia, kun kappaleet liikkuvat hyvin nopeasti, joten sinun täytyy uskoa sanaamme tästä osasta.)

satelliittien radat ovat 20 000 kilometrin korkeudella maasta, jossa painovoima on noin neljä kertaa heikompi kuin maan pinnalla. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan kiertävien kellojen pitäisi tikittää noin 45 miljoonasosasekuntia nopeammin kuin maapallolla. Nettovaikutus on, että aika satelliittikellossa etenee noin 38 mikrosekuntia päivässä. Jos näitä relativistisia vaikutuksia ei otettaisi huomioon, navigointivirheitä alkaisi kertyä ja asemat olisivat pois noin 7 mailia vain yhden päivän aikana.

Sanasto

painovoimainen punasiirtymä:

sähkömagneettisen aallon (valon) aallonpituuden kasvu, kun se etenee massiivisesta kohteesta tai sen läheltä