csillagászat

az általános relativitáselmélet különböző előrejelzéseket tesz a tér és az idő viselkedéséről. Az egyik ilyen előrejelzés, mindennapi értelemben, az, hogy minél erősebb a gravitáció, annál lassabb az idő üteme. Egy ilyen kijelentés nagyon ellentétes az intuitív időérzékünkkel, mint olyan áramlással, amelyben mindannyian osztozunk. Az idő mindig is a legdemokratikusabb fogalmaknak tűnt: úgy tűnik, hogy mindannyian, gazdagságtól vagy státustól függetlenül, együtt mozogunk a bölcsőtől a sírig az idő nagy áramlatában.

de Einstein azzal érvelt, hogy ez csak azért tűnik így számunkra, mert eddig minden ember a Föld gravitációs környezetében élt és halt meg. Nem volt esélyünk arra, hogy teszteljük azt az elképzelést, hogy az idő üteme függhet a gravitáció erejétől, mert nem tapasztaltunk radikálisan eltérő gravitációt. Sőt, az időáramlási különbségek rendkívül kicsiek, amíg valóban nagy tömegek nem vesznek részt. Ennek ellenére Einstein előrejelzését mind a földön, mind az űrben tesztelték.

az idő tesztjei

egy ötletes kísérlet 1959-ben az ismert legpontosabb atomórát használta a Harvard Egyetem Fizikai épületének földszintjén és legfelső emeletén végzett időmérések összehasonlítására. Egy óra esetében a kísérletezők a radioaktív kobalt által kibocsátott gamma-sugarak frekvenciáját (a másodpercenkénti ciklusok számát) használták. Einstein elmélete azt jósolja, hogy egy ilyen kobaltóra a földszinten, kissé közelebb a Föld súlypontjához, nagyon kissé lassabban kell futnia, mint ugyanaz az óra a legfelső emeleten. Pontosan ezt figyelték meg a kísérletek. Később atomórákat vettek fel magas repülő repülőgépeken, sőt az egyik Gemini űrrepülésen is. Mindegyik esetben a Földtől távolabb eső órák egy kicsit gyorsabban futottak. Míg 1959-ben nem sokat számított, ha az épület tetején lévő óra gyorsabban futott, mint az alagsorban lévő óra, ma ez a hatás nagyon releváns. Minden okostelefonnak vagy eszköznek, amely szinkronizál a GPS-szel, ezt ki kell javítania (amint azt a következő szakaszban látni fogjuk), mivel a műholdak órái gyorsabban futnak, mint a Föld órái.

a hatás kifejezettebb, ha a gravitáció a Napé, nem pedig a Földé. Ha az erősebb gravitáció lelassítja az idő ütemét, akkor hosszabb ideig tart, amíg egy fény-vagy rádióhullám, amely nagyon közel halad a nap széléhez, eléri a Földet, mint amire Newton gravitációs törvénye alapján számíthatnánk. (Hosszabb ideig tart, mert a téridő a Nap közelében ívelt.) Minél kisebb a távolság a fénysugár és a nap széle között a legközelebbi megközelítésnél, annál hosszabb lesz az érkezési idő késése.

1976 novemberében, amikor a két Viking űrhajó a Mars felszínén működött, a bolygó a Földről nézve a nap mögé ment (1.ábra). A tudósok előre beprogramozták a Vikinget, hogy rádióhullámot küldjön a Föld felé, amely rendkívül közel megy a nap külső régióihoz. Az általános relativitáselmélet szerint késés lenne, mert a rádióhullám egy olyan régión haladna át, ahol az idő lassabban futott. A kísérlet képes volt megerősíteni Einstein elméletét 0,1% – on belül.

1. ábra. A Nap közelében lévő rádióhullámok késleltetése: a Marson lévő Viking lander Rádiójelei késtek, amikor elhaladtak a Nap közelében, ahol a téridő viszonylag erősen ívelt. Ezen a képen a téridőt kétdimenziós gumilemezként ábrázolják.

gravitációs vöröseltolódás

mit jelent az, hogy az idő lassabban fut? Amikor a fény egy erős gravitációs régióból származik, ahol az idő lelassul, a fény frekvenciájának és hullámhosszának változását tapasztalja. Ahhoz, hogy megértsük, mi történik, emlékezzünk arra, hogy a fényhullám ismétlődő jelenség—a címer nagy rendszerességgel követi a címert. Ebben az értelemben minden fényhullám egy kis óra, amely a hullámciklusával tartja az időt. Ha az erősebb gravitáció lelassítja az idő ütemét (egy külső megfigyelőhöz képest), akkor annak a sebességnek, amellyel a címer követi a címert, ennek megfelelően lassabbnak kell lennie—vagyis a hullámok ritkábbak lesznek.

az állandó fénysebesség fenntartásához (Einstein speciális és általános relativitáselméletében a legfontosabb posztulátum) az alacsonyabb frekvenciát hosszabb hullámhosszal kell kompenzálni. Ez a hullámhossz-növekedés (amikor a forrás mozgása okozza) az, amit Vöröseltolódásnak nevezünk a sugárzásban és a spektrumban. Itt, mivel a gravitáció és nem a mozgás hozza létre a hosszabb hullámhosszokat, ezt a hatást gravitációs vöröseltolódásnak nevezzük.

az űrkori technológia megjelenése lehetővé tette a gravitációs vöröseltolódás mérését nagyon nagy pontossággal. Az 1970-es évek közepén egy hidrogén-masert, egy lézerrel hasonló eszközt, amely egy adott hullámhosszon mikrohullámú rádiójelet állít elő, egy rakéta 10 000 kilométeres magasságba vitte. A földön lévő műszereket arra használták, hogy összehasonlítsák a rakéta által kibocsátott jel frekvenciáját maser a földön lévő hasonló maser frekvenciájával. A kísérlet kimutatta, hogy a Föld felszínén lévő erősebb gravitációs mező valóban lelassította az idő áramlását a rakétában lévő maser által mért időhöz képest. A megfigyelt hatás megfelelt az általános relativitáselmélet előrejelzéseinek néhány részen belül 100 000-ben.

ez csak néhány példa a tesztekre, amelyek megerősítették az általános relativitáselmélet előrejelzéseit. Ma az általános relativitáselméletet fogadják el a gravitáció legjobb leírásaként, és csillagászok és fizikusok használják, hogy megértsék a galaxisok központjainak viselkedését, az univerzum kezdetét és azt a témát, amellyel elkezdtük ezt a fejezetet—a valóban hatalmas csillagok halálát.

relativitáselmélet: gyakorlati alkalmazás

mostanra lehet, hogy azt kérdezi: miért kell a relativitással foglalkoznom? Nem élhetem tökéletesen az életem nélküle? A válasz az, hogy nem lehet. minden alkalommal, amikor egy pilóta leszáll egy repülőgépre, vagy GPS-t használ annak meghatározására, hogy hol tartózkodik a hátsó országban, Önnek (vagy legalábbis a GPS-kompatibilis készülékének) figyelembe kell vennie mind az általános, mind a speciális relativitáselméletet.

a GPS a Föld körül keringő 24 műholdon alapul, amelyek közül legalább 4 a Föld bármely pontjáról látható. Minden műhold pontos atomórát hordoz. A GPS-vevő felismeri a fölötte lévő műholdak jeleit, és kiszámítja az Ön helyzetét annak alapján, hogy mennyi idő alatt érte el ezeket a jeleket. Tegyük fel, hogy szeretné tudni, hogy hol van belül 50 láb (GPS készülékek valójában sokkal jobb, mint ez). Mivel csak 50 milliárd másodpercre van szükség ahhoz, hogy a fény 50 métert haladjon, a műholdak óráit legalább ilyen pontossággal kell szinkronizálni—ezért figyelembe kell venni a relativisztikus hatásokat.

a műholdak órái 14 000 kilométer / óra sebességgel keringenek a Föld körül, és sokkal gyorsabban mozognak, mint a Föld felszínén lévő órák. Einstein relativitáselmélete szerint a műholdak órái lassabban ketyegnek, mint a földi órák, napi körülbelül 7 milliomod másodperccel. (Még nem tárgyaltuk a speciális relativitáselméletet, amely a változásokkal foglalkozik, amikor az objektumok nagyon gyorsan mozognak, ezért ezt a részt el kell fogadnia.)

a műholdak pályája 20 000 kilométerrel van a föld felett, ahol a gravitáció körülbelül négyszer gyengébb, mint a Föld felszínén. Az általános relativitáselmélet szerint a keringő óráknak körülbelül 45 milliomod másodperccel gyorsabban kell ketyegniük, mint a Földön. A nettó hatás az, hogy a műholdas óra ideje körülbelül 38 mikroszekundummal halad előre naponta. Ha ezeket a relativisztikus hatásokat nem vesszük figyelembe, a navigációs hibák összeadódnak, és a pozíciók csak egy nap alatt kb. 7 mérfölddel térnek el.

szószedet

gravitációs vöröseltolódás:

egy elektromágneses hullám (fény) hullámhosszának növekedése, amikor egy hatalmas tárgyról vagy annak közelében terjed