천문학

일반 상대성 이론은 공간과 시간의 행동에 대한 다양한 예측을합니다. 이러한 예측 중 하나는 일상적인 용어로 중력이 강할수록 시간 속도가 느려진다는 것입니다. 그러한 진술은 우리 모두가 공유하는 흐름으로서 우리의 직관적 인 시간 감각에 매우 반대합니다. 시간은 언제나 가장 민주적인 개념으로 보였다:우리 모두는,부나 지위에 상관없이,시간의 위대한 흐름 속에서 요람에서 무덤으로 함께 움직이는 것처럼 보인다.

그러나 아인슈타인은 지금까지 모든 인간이 지구의 중력 환경에서 살고 죽었 기 때문에 우리에게 이런 식으로 보인다고 주장했다. 우리는 시간의 속도가 중력의 강도에 달려 있다는 생각을 시험할 기회가 없었습니다.왜냐하면 우리는 근본적으로 다른 중력을 경험하지 않았기 때문입니다. 더욱이,시간의 흐름의 차이는 진정으로 큰 질량이 관련 될 때까지 매우 작습니다. 그럼에도 불구하고 아인슈타인의 예측은 이제 지구와 우주 모두에서 테스트되었습니다.

시간 테스트

1959 년의 독창적 인 실험은 하버드 대학의 물리학 건물의 1 층과 꼭대기 층의 시간 측정을 비교하는 것으로 알려진 가장 정확한 원자 시계를 사용했습니다. 시계의 경우 실험자는 방사성 코발트에 의해 방출되는 감마선의 주파수(초당 사이클 수)를 사용했습니다. 아인슈타인의 이론은 1 층에있는 코발트 시계가 지구의 무게 중심에 조금 더 가깝기 때문에 꼭대기 층의 같은 시계보다 약간 느리게 움직여야한다고 예측합니다. 이것은 정확하게 실험이 관찰 한 것입니다. 나중에,원자 시계는 고공 비행 항공기와 심지어 쌍둥이 자리 우주 비행 중 하나에서 채택되었습니다. 각각의 경우에,지구에서 멀리 떨어진 시계는 조금 더 빨리 달렸다. 1959 년에 건물 꼭대기에있는 시계가 지하실의 시계보다 빨리 달린다면 그다지 중요하지 않았지만 오늘날 그 효과는 매우 관련이 있습니다. 이 응용 프로그램은 당신에게 아름다운 욕실 꾸미기의 갤러리를 보여줍니다.

이 효과는 관련된 중력이 지구가 아닌 태양이라면 더욱 두드러진다. 더 강한 중력이 시간의 속도를 늦추면,뉴턴의 중력 법칙에 근거하여 우리가 기대하는 것보다 태양 가장자리 근처를 통과하는 빛이나 전파가 지구에 도달하는 데 더 오래 걸릴 것입니다. (시공간이 태양 근처에서 구부러져 있기 때문에 시간이 오래 걸립니다.)가장 가까운 접근에서 빛의 광선과 태양의 가장자리 사이의 거리가 작을수록 도착 시간의 지연이 길어집니다.

1976 년 11 월,두 바이킹 우주선이 화성 표면에서 작동했을 때 행성은 지구에서 본 것처럼 태양 뒤로 갔다(그림 1). 과학자들은 바이킹을 미리 프로그래밍하여 태양의 바깥 쪽 지역에 매우 가깝게 갈 지구를 향해 전파를 보냈습니다. 일반 상대성 이론에 따르면,전파가 시간이 더 느리게 흐르는 지역을 통과 할 것이기 때문에 지연이있을 것입니다. 이 실험은 아인슈타인의 이론을 0.1%이내로 확인할 수있었습니다.

그림 1 로 내려가는 빨간색 화살표로 그려집니다. 태양 근처 전파에 대한 시간 지연:그들은 시공간이 상대적으로 강하게 곡선 태양 근처를 통과 할 때 화성에 바이킹 착륙선에서 무선 신호가 지연되었다. 이 그림에서 시공간은 2 차원 고무 시트로 묘사됩니다.

중력 적색편이

시간이 더 느리게 진행된다고 말하는 것은 무엇을 의미합니까? 빛이 시간이 감속하는 강한 중력의 지구에서 나올 때,빛은 그것의 빈도 및 파장에 있는 변화를 경험합니다. 무슨 일이 일어나는지 이해하기 위해 빛의 물결이 반복되는 현상이라는 것을 기억합시다—크레스트는 큰 규칙 성을 가진 크레스트를 따릅니다. 이러한 의미에서,각각의 광파는 파주기와 시간을 유지,작은 시계입니다. 더 강한 중력이 시간의 속도를 늦추면(외부 관찰자에 비해),크레스트가 크레스트를 따르는 속도는 그에 따라 느려야합니다.

일정한 광속(아인슈타인의 특수 및 일반 상대성 이론의 핵심 가정)을 유지하려면 더 낮은 주파수는 더 긴 파장에 의해 보상되어야합니다. 이런 종류의 파장 증가(소스의 움직임에 의해 야기 될 때)는 우리가 방사선과 스펙트럼에서 적색 편이라고 부르는 것입니다. 여기서,더 긴 파장을 생성하는 것은 운동이 아니라 중력이기 때문에,우리는 그 효과를 중력 적색편이라고 부릅니다.

우주 시대 기술의 출현은 매우 높은 정확도로 중력 적색편이를 측정하는 것을 가능하게 했다. 1970 년대 중반,특정 파장에서 마이크로파 무선 신호를 생성하는 레이저와 유사한 장치 인 수소 메이저가 로켓에 의해 고도 10,000 킬로미터로 운반되었습니다. 지상에 악기는 지구에 비슷한 메이저에서 그와 로켓 매개 메이저에 의해 방출되는 신호의 주파수를 비교하는 데 사용되었다. 이 실험은 지구 표면의 더 강한 중력장이 로켓의 메이저가 측정 한 것과 비교하여 시간의 흐름을 실제로 느리게했다는 것을 보여주었습니다. 관찰 된 효과는 일반 상대성 이론의 예측과 100,000 의 몇 부분 내에서 일치했습니다.

이들은 일반 상대성 이론의 예측을 확인한 테스트의 몇 가지 예일뿐입니다. 오늘날 일반 상대성 이론은 중력에 대한 우리의 가장 좋은 설명으로 받아 들여지고 천문학 자와 물리학 자들이 은하 중심의 행동,우주의 시작,그리고 우리가이 장을 시작한 주제,즉 진정으로 거대한 별의 죽음을 이해하는 데 사용됩니다.

상대성 이론:실용적인 응용

지금 당신은 요청할 수 있습니다: 나는 왜 상대성을 귀찮게해야합니까? 그것 없이는 내 삶을 완벽하게 살 수 없습니까? 이 응용 프로그램은 당신의 안드로이드 장치에 대한 최신 뉴스,스포츠,날씨와 비디오를 제공합니다.

지구 궤도를 도는 24 개의 위성 배열에 의존하며,그 중 적어도 4 개는 지구상의 어느 곳에서나 볼 수 있다. 각 위성은 정확한 원자 시계를 운반합니다. 이 응용 프로그램은 당신에게 아름다운 욕실 꾸미기의 갤러리를 보여줍니다. 당신이 50 피트 이내에 어디에 있는지 알고 싶어한다고 가정 해 봅시다(실제로 이것보다 훨씬 더 잘할 수 있습니다). 빛이 50 피트를 여행하는 데 50 억분의 1 초 밖에 걸리지 않기 때문에 위성의 시계는 적어도이 정확도에 동기화되어야하며 상대 론적 효과는 고려되어야합니다.

위성의 시계는 시간당 14,000 킬로미터의 속도로 지구를 공전하고 있으며 지구 표면의 시계보다 훨씬 빠르게 움직이고 있다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면,위성의 시계는 하루에 약 7 백만 분의 1 초의 지구 기반 시계보다 더 천천히 똑딱 거리고 있습니다. (우리는 물체가 매우 빠르게 움직일 때 변화를 다루는 특수 상대성 이론을 논의하지 않았으므로,이 부분에 대한 우리의 말을해야합니다.

위성의 궤도는 지구보다 20,000 킬로미터이고,중력은 지구 표면보다 약 4 배 더 약하다. 일반상대론은 궤도를 도는 시계가 지구상보다 약 4 천 5 백만분의 1 초 더 빠르게 움직이게 한다고 말한다. 실제 효과는 위성 시계의 시간이 하루에 약 38 마이크로 초씩 진행된다는 것입니다. 이러한 상대 론적 효과가 고려되지 않으면 탐색 오류가 추가되기 시작할 것이고 위치는 단 하루 만에 약 7 마일 떨어져있을 것입니다.

용어집

중력 적색편이:

거대한 물체로부터 또는 그 근처에서 전파될 때 전자기파(빛)의 파장 증가