天文学

一般相対性理論は、空間と時間の挙動について様々な予測を行います。 これらの予測の1つは、日常的に言えば、重力が強ければ強いほど時間のペースが遅くなるということです。 そのような声明は私達がすべて共有する流れとして時間の私達の直観的な感覚に非常にカウンターを行く。 私たちのすべては、富や地位にかかわらず、時間の偉大な流れの中で揺りかごから墓に一緒に移動するように見えます。

しかし、アインシュタインは、これまでのところすべての人間が地球の重力環境で生きて死んできたので、私たちにはこのように見えるだけだと主張した。 私たちは根本的に異なる重力を経験していないので、時間のペースが重力の強さに依存するかもしれないという考えをテストする機会はありません さらに、時間の流れの違いは、本当に大きな質量が関与するまで非常に小さい。 それにもかかわらず、アインシュタインの予測は、今、地球と宇宙の両方でテストされています。

The Tests of Time

1959年の独創的な実験では、ハーバード大学の物理学ビルの地上階と最上階での時間測定を比較するために知られている最も正確な原子時計 時計のために、実験者は放射性コバルトによって放出されるガンマ線の周波数（毎秒のサイクル数）を使用した。 アインシュタインの理論は、地球の重心に少し近い地上階のコバルト時計は、最上階の同じ時計よりもわずかに遅く動くはずであると予測しています。 これはまさに実験が観察したものです。 その後、原子時計は高空飛行の航空機やジェミニ宇宙飛行の1つでさえ取り上げられました。 いずれの場合も、地球から遠く離れた時計は少し速く走った。 1959年には、建物の上部の時計が地下の時計よりも速く走ったかどうかはあまり重要ではありませんでしたが、今日ではその効果は非常に関連性があ 衛星上の時計は地球上の時計よりも速く実行されますので、GPSと同期するすべてのスマートフォンやデバイスは、（我々は次のセクションで見るように）こ

関連する重力が太陽であり、地球ではない場合、効果はより顕著になります。 強い重力が時間のペースを遅くすると、ニュートンの重力の法則に基づいて予想されるよりも、太陽の端の近くを通過する光や電波が地球に到達するのに時間がかかります。 （時空が太陽の近くで湾曲しているので、それは時間がかかります。）最接近時の光線と太陽の端との間の距離が小さいほど、到着時間の遅延が長くなります。

1976年11月、2機のバイキング宇宙船が火星の表面で作動していたとき、惑星は地球から見たように太陽の後ろに行きました（図1）。 科学者たちは、太陽の外側の領域に非常に近い地球に向かって電波を送信するためにバイキングを事前にプログラムしていました。 一般相対性理論によると、電波は時間がよりゆっくりと走った領域を通過するので、遅延があるでしょう。 この実験では、アインシュタインの理論を0.1％以内に確認することができました。

図1に入る赤い矢印として描かれています。 太陽の近くの電波の時間遅れ：火星のバイキング着陸船からの無線信号は、時空が比較的強く湾曲している太陽の近くを通過したときに遅れました。 この写真では、時空は二次元のゴムシートとして描かれています。

重力赤方偏移

時間がよりゆっくりと流れると言うのはどういう意味ですか？ 時間が遅くなる強い重力の領域から光が出てくると、光はその周波数と波長の変化を経験します。 何が起こるかを理解するために、光の波は繰り返し現象であることを思い出してみましょう—クレストは大きな規則性を持つクレストに従います。 この意味では、各光波は、その波のサイクルと時間を維持し、小さな時計です。 より強い重力が時間のペースを遅くする場合（外部の観察者に対して）、クレストがクレストに続く速度はそれに応じて遅くなければならない—すなわち、波はあまり頻繁にならない。

一定の光速（アインシュタインの特殊相対性理論および一般相対性理論における重要な仮定）を維持するためには、より低い周波数をより長い波長で補 この種の波長の増加（ソースの動きによって引き起こされる）は、放射線とスペクトルの赤方偏移と呼ばれるものです。 ここでは、より長い波長を生成するのは重力であり、運動ではないため、この効果を重力赤方偏移と呼びます。

宇宙時代の技術の出現により、非常に高い精度で重力赤方偏移を測定することが可能になりました。 1970年代半ば、特定の波長でマイクロ波無線信号を生成するレーザーに似た装置である水素メーザーは、ロケットによって高度10,000キロメートルまで運ばれた。 地上の機器は、ロケット搭載のメーザーによって放出された信号の周波数と地球上の同様のメーザーからの信号の周波数を比較するために使用されました。 実験は、地球の表面でより強い重力場が実際にロケットのメーザーによって測定されたものと比較して時間の流れを遅くしたことを示した。 観測された効果は、一般相対性理論の予測と100,000のいくつかの部分の中で一致しました。

これらは、一般相対性理論の予測を確認したテストのほんの一例です。 今日、一般相対性理論は、重力の私たちの最高の記述として受け入れられ、銀河の中心、宇宙の始まり、そして私たちがこの章を始めた主題—本当に大規模な星の死-を理解するために天文学者や物理学者によって使用されています。

相対性理論：実用的なアプリケーション

今ではあなたが尋ねるかもしれません: なぜ私は相対性理論に悩まされるべきですか？ 私はそれなしで私の人生を完全にうまく生きることはできませんか？ パイロットが飛行機に着陸したり、GPSを使用してドライブやハイキングの場所を決定するたびに、あなた（または少なくともあなたのGPS対応デバイス）は、一般相対性理論と特殊相対性理論の両方の影響を考慮に入れなければなりません。

GPSは地球を周回する24個の衛星の配列に依存しており、少なくとも4個は地球上の任意の場所から見える。 各衛星には正確な原子時計が搭載されています。 あなたのGPS受信機は、オーバーヘッドであるそれらの衛星からの信号を検出し、それはあなたに到達するためにそれらの信号を取った時間に基づいて、 あなたが50フィート以内にいる場所を知りたいとします（GPSデバイスは実際にこれよりもはるかに優れています）。 光が50フィート移動するのにわずか50億分の1秒しかかからないので、衛星の時計は少なくともこの精度に同期されなければならず、したがって相対論的効果を考慮する必要があります。

衛星の時計は時速14,000kmの速度で地球を周回しており、地球表面の時計よりもはるかに高速に動いています。 アインシュタインの相対性理論によると、衛星の時計は、地球ベースの時計よりも1日あたり約700万分の1秒だけゆっくりと刻み込まれています。 （私たちは、オブジェクトが非常に速く動くときの変化を扱う相対性理論の特別な理論については議論していないので、この部分について私たちの言葉を取らなければならないでしょう。)

衛星の軌道は地球上20,000kmであり、重力は地球の表面よりも約四倍弱い。 一般相対性理論では、周回する時計は地球上の時計よりも約4500万分の1秒速く刻むはずだと述べています。 正味の効果は、衛星時計の時間が一日あたり約38マイクロ秒進むことです。 これらの相対論的効果が考慮されなかった場合、ナビゲーションエラーが加算され始め、位置はわずか一日で約7マイル離れています。

重力赤方偏移:

巨大な物体からまたはその近くを伝播するときの電磁波（光）の波長の増加