Astronomi

Generell relativitetsteori gjør ulike spådommer om oppførsel av rom og tid. En av disse spådommene, satt i hverdagen, er at jo sterkere tyngdekraften, jo langsommere tempoet i tiden. En slik uttalelse går veldig mye mot vår intuitive følelse av tid som en flyt som vi alle deler. Tiden har alltid virket som den mest demokratiske av begreper: alle av oss, uavhengig av rikdom eller status, ser ut til å bevege seg sammen fra vugge til grav i den store strømmen av tid.

Men Einstein hevdet at Det bare virker slik for oss fordi alle mennesker så langt har levd og døde I jordens gravitasjonsmiljø. Vi har ikke hatt noen sjanse til å teste ideen om at tidens tempo kan avhenge av tyngdekraften, fordi vi ikke har opplevd radikalt forskjellige graviteter. Videre er forskjellene i tidsstrømmen ekstremt små til virkelig store masser er involvert. Likevel Har Einsteins prediksjon nå blitt testet, både på Jorden og i rommet.

Tidstestene

et genialt eksperiment i 1959 brukte den mest nøyaktige atomur kjent for å sammenligne tidsmålinger i første etasje og øverste etasje i fysikkbygningen Ved Harvard University. For en klokke brukte eksperimentene frekvensen (antall sykluser per sekund) av gammastråler utgitt av radioaktiv kobolt. Einsteins teori forutsier at en slik koboltklokke i første etasje, som er litt nærmere Jordens tyngdepunkt, skal løpe veldig litt langsommere enn samme klokke i toppetasjen. Dette er nettopp hva forsøkene observert. Senere ble atomklokker tatt opp i høyflygende fly og til og med på En Av Gemini-romflyvningene. I hvert tilfelle løp klokkene lenger fra Jorden litt raskere. Mens det i 1959 ikke var så viktig om klokken på toppen av bygningen løp raskere enn klokken i kjelleren, er den effekten i dag svært relevant. Hver smarttelefon eller enhet som synkroniseres MED EN GPS må korrigere for dette (som vi vil se i neste avsnitt) siden klokkene på satellitter vil løpe raskere enn klokker på Jorden.

effekten er mer uttalt hvis tyngdekraften involvert Er Solens og Ikke Jordens. Hvis sterkere tyngdekraft senker tempoet, vil det ta lengre tid for en lys – eller radiobølge som passerer svært nær Kanten Av Solen for Å nå Jorden enn vi forventer på Grunnlag Av Newtons tyngdelov. (Det tar lengre tid fordi spacetime er buet i Nærheten Av Solen.) Jo mindre avstanden mellom strålen av lys og kanten Av Solen på nærmeste tilnærming, jo lengre blir forsinkelsen i ankomsttid.

i November 1976, da De To Viking-sondene opererte på Overflaten av Mars, gikk planeten bak Solen sett fra Jorden (Figur 1). Forskere hadde forhåndsprogrammert Viking for å sende en radiobølge mot Jorden som ville gå ekstremt nær Solens ytre områder. Ifølge generell relativitet ville det være en forsinkelse fordi radiobølgen ville passere gjennom en region hvor tiden gikk sakte. Forsøket var i stand Til å bekrefte Einsteins teori til innenfor 0,1%.

Figur 1. Tidsforsinkelser for Radiobølger nær Solen: Radiosignaler fra Viking lander på Mars ble forsinket da de passerte Nær Solen, hvor romtiden er buet relativt sterkt. I dette bildet er spacetime avbildet som et todimensjonalt gummiark.

Gravitasjons Redshift

Hva betyr det å si at tiden går saktere? Når lyset kommer fra et område med sterk tyngdekraft hvor tiden går sakte, opplever lyset en endring i frekvens og bølgelengde. For å forstå hva som skjer, la oss huske at en bølge av lys er et repeterende fenomen-crest følger crest med stor regularitet. I denne forstand er hver lysbølge en liten klokke, og holder tiden med sin bølgesyklus. Hvis sterkere tyngdekraften senker tempoet i tiden (i forhold til en ekstern observatør), må hastigheten som crest følger crest være tilsvarende langsommere—det vil si at bølgene blir mindre hyppige.

for å opprettholde konstant lyshastighet (nøkkelpostulatet I Einsteins teorier om spesiell og generell relativitet), må den lavere frekvensen kompenseres av en lengre bølgelengde. Denne typen økning i bølgelengde (når forårsaket av kildens bevegelse) er det vi kalte en rødforskyvning I Stråling og Spektra. Her, fordi det er tyngdekraften og ikke bevegelse som produserer lengre bølgelengder, kaller vi effekten en gravitasjonell rødforskyvning.

fremkomsten av romalderen teknologi gjorde det mulig å måle gravitasjons redshift med svært høy nøyaktighet. I midten av 1970-tallet ble en hydrogenmaser, en enhet som er lik en laser som produserer et mikrobølge radiosignal ved en bestemt bølgelengde, båret av en rakett til en høyde på 10.000 kilometer. Instrumenter på bakken ble brukt til å sammenligne frekvensen av signalet fra den rakettbårne maser med det fra en lignende maser på Jorden. Forsøket viste at det sterkere gravitasjonsfeltet på Jordens overflate virkelig reduserte tidsstrømmen i forhold til det som ble målt av maser i raketten. Den observerte effekten matchet forutsigelsene om generell relativitet til noen få deler i 100.000.

Dette er bare noen få eksempler på tester som har bekreftet spådommene om generell relativitet. I dag er generell relativitet akseptert som vår beste beskrivelse av tyngdekraften og brukes av astronomer og fysikere til å forstå oppførselen til galaksens sentre, universets begynnelse og emnet som vi begynte dette kapittelet—død av virkelig massive stjerner.

Relativitet: En Praktisk Anvendelse

Nå kan du spørre: hvorfor skal jeg bry meg om relativitet? Kan jeg ikke leve livet mitt helt bra uten det? Svaret er at Du ikke Kan. Hver gang en pilot lander et fly eller du bruker EN GPS for å bestemme hvor du er på en kjøretur eller tur i baklandet, må du (eller i det MINSTE DIN GPS-aktiverte enhet) ta hensyn til effekten av både generell og spesiell relativitet.

GPS er avhengig av en rekke 24 satellitter i bane Rundt Jorden, og minst 4 av Dem er synlige fra alle steder på Jorden. Hver satellitt bærer en presis atomur. GPS-mottakeren oppdager signalene fra de satellittene som er overhead og beregner posisjonen din basert på tiden det har tatt disse signalene for å nå deg. Anta at du vil vite hvor du er innenfor 50 fot (GPS-enheter kan faktisk gjøre mye bedre enn dette). Siden det tar bare 50 milliarddeler av et sekund for lys å reise 50 fot, må klokkene på satellittene synkroniseres til minst denne nøyaktigheten – og relativistiske effekter må derfor tas i betraktning.

klokkene på satellittene går I bane Rundt Jorden med en hastighet på 14.000 kilometer i timen og beveger seg mye raskere enn klokker på Jordens overflate. Ifølge Einsteins relativitetsteori tikker klokka på satellittene langsommere enn Jordbaserte klokker med om lag 7 milliondeler av et sekund per dag. (Vi har ikke diskutert den spesielle relativitetsteorien, som omhandler endringer når objekter beveger seg veldig fort, så du må ta vårt ord for denne delen.)

banene til satellittene er 20.000 kilometer over Jorden, hvor tyngdekraften er omtrent fire ganger svakere enn På Jordens overflate. Generell relativitet sier at baneklokkene skal krysse om 45 milliondeler av et sekund raskere enn de ville på Jorden. Nettoeffekten er at tiden på en satellitt klokke fremskritt med ca 38 mikrosekunder per dag. Hvis disse relativistiske effektene ikke ble tatt i betraktning, ville navigasjonsfeil begynne å legge opp og posisjoner ville være av med ca 7 miles på bare en enkelt dag.

Ordliste

gravitasjons redshift:

en økning i bølgelengden til en elektromagnetisk bølge (lys) når den forplanter seg fra eller nær et massivt objekt