Astronomia

Ogólna teoria względności sprawia, że różne przewidywania dotyczące zachowania przestrzeni i czasu. Jednym z tych przewidywań, ujętych w codziennych terminach, jest to, że im silniejsza grawitacja, tym wolniejsze tempo czasu. Takie stwierdzenie jest bardzo sprzeczne z naszym intuicyjnym poczuciem czasu jako przepływu, który wszyscy dzielimy. Czas zawsze wydawał się najbardziej demokratycznym pojęciem: wszyscy, niezależnie od bogactwa czy statusu, zdajemy się poruszać razem od kołyski do grobu w wielkim nurcie czasu.

ale Einstein twierdził, że wydaje się nam to tylko dlatego, że wszyscy ludzie do tej pory żyli i umarli w grawitacyjnym środowisku Ziemi. Nie mieliśmy okazji przetestować idei, że tempo czasu może zależeć od siły grawitacji, ponieważ nie doświadczyliśmy radykalnie różnych grawitacji. Co więcej, różnice w przepływie czasu są bardzo małe, dopóki nie zaangażują się naprawdę duże masy. Niemniej jednak przewidywania Einsteina zostały przetestowane, zarówno na ziemi, jak iw kosmosie.

testy czasu

genialny eksperyment w 1959 roku użył najdokładniejszego zegara atomowego znanego do porównania pomiarów czasu na parterze i najwyższym piętrze budynku fizyki na Uniwersytecie Harvarda. Dla zegara eksperymentatorzy wykorzystali częstotliwość (liczbę cykli na sekundę) promieniowania gamma emitowanego przez radioaktywny kobalt. Teoria Einsteina przewiduje, że taki kobaltowy zegar na parterze, będąc nieco bliżej środka ciężkości ziemi, powinien działać nieco wolniej niż ten sam zegar na najwyższym piętrze. Właśnie to zaobserwowały eksperymenty. Później zegary atomowe zostały podjęte w wysoko lecących samolotach, a nawet w jednym z lotów kosmicznych Gemini. W każdym przypadku Zegary dalej od Ziemi biegały nieco szybciej. Podczas gdy w 1959 roku nie miało większego znaczenia, czy zegar na szczycie budynku działał szybciej niż zegar w piwnicy, dziś efekt ten jest bardzo istotny. Każdy smartfon lub urządzenie synchronizujące się z GPS musi to skorygować (jak zobaczymy w następnej sekcji), ponieważ zegary na satelitach będą działać szybciej niż zegary na Ziemi.

efekt jest bardziej wyraźny, jeśli grawitacja dotyczy słońca, a nie Ziemi. Jeśli silniejsza grawitacja spowalnia tempo czasu, wtedy światło lub fala radiowa, która przechodzi bardzo blisko krawędzi słońca, dotrze do ziemi dłużej, niż moglibyśmy się spodziewać na podstawie prawa grawitacji Newtona. (Trwa to dłużej, ponieważ czasoprzestrzeń jest zakrzywiona w pobliżu Słońca.) Im mniejsza odległość między promieniem światła a krawędzią słońca przy najbliższym zbliżeniu, tym dłuższe będzie opóźnienie w czasie przylotu.

w listopadzie 1976 roku, kiedy dwa statki kosmiczne Viking działały na powierzchni Marsa, planeta znalazła się za słońcem widzianym z ziemi (Rysunek 1). Naukowcy zaprogramowali Vikinga, aby wysłał falę radiową w kierunku Ziemi, która zbliżyłaby się do zewnętrznych regionów słońca. Zgodnie z ogólną teorią względności nastąpiłoby opóźnienie, ponieważ fala radiowa przechodziłaby przez region, w którym czas przebiegał wolniej. Eksperyment był w stanie potwierdzić teorię Einsteina w granicach 0,1%.

Rysunek 1. Opóźnienia czasowe dla fal radiowych w pobliżu Słońca: sygnały radiowe z lądownika Viking na Marsie były opóźnione, gdy przechodziły w pobliżu Słońca, gdzie czasoprzestrzeń jest stosunkowo mocno zakrzywiona. Na tym zdjęciu czasoprzestrzeń jest przedstawiona jako dwuwymiarowy arkusz gumy.

Co to znaczy, że czas płynie wolniej? Kiedy światło wyłania się z obszaru silnej grawitacji, gdzie czas spowalnia, światło doświadcza zmiany częstotliwości i długości fali. Aby zrozumieć, co się dzieje, przypomnijmy, że fala światła jest zjawiskiem powtarzającym się-grzebień podąża za grzebieniem z wielką regularnością. W tym sensie każda fala świetlna jest małym zegarem, utrzymującym czas z cyklem falowym. Jeśli silniejsza grawitacja spowalnia tempo czasu (w stosunku do obserwatora zewnętrznego), to tempo z jakim następuje crest musi być odpowiednio wolniejsze—czyli fale stają się rzadsze.

aby utrzymać stałą prędkość światła (kluczowy postulat w teorii szczególnej i ogólnej teorii względności Einsteina), niższa częstotliwość musi być kompensowana przez dłuższą długość fali. Ten rodzaj wzrostu długości fali (spowodowanego ruchem źródła) nazywamy przesunięciem ku czerwieni w promieniowaniu i widmach. Tutaj, ponieważ to grawitacja, a nie ruch wytwarza dłuższe fale, nazywamy efekt grawitacyjnym przesunięciem ku czerwieni.

pojawienie się technologii ery kosmicznej umożliwiło pomiar grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni z bardzo dużą dokładnością. W połowie lat 70. maser wodorowy, urządzenie podobne do lasera, które wytwarza mikrofalowy sygnał radiowy o określonej długości fali, został przeniesiony przez rakietę na wysokość 10 000 kilometrów. Instrumenty naziemne posłużyły do porównania częstotliwości sygnału emitowanego przez Maser rakietowy z częstotliwością podobnego Masera na Ziemi. Eksperyment wykazał, że silniejsze pole grawitacyjne na powierzchni Ziemi naprawdę spowolniło przepływ czasu w porównaniu z maserem w rakiecie. Obserwowany efekt dopasował się do przewidywań ogólnej teorii względności do kilku części na 100 000.

to tylko kilka przykładów testów, które potwierdziły przewidywania ogólnej teorii względności. Dzisiaj ogólna teoria względności jest akceptowana jako nasz najlepszy opis grawitacji i jest używana przez astronomów i fizyków do zrozumienia zachowania centrów galaktyk, początku wszechświata i tematu, od którego zaczęliśmy ten rozdział—śmierci prawdziwie masywnych gwiazd.

Relativity: A Practical Application

: dlaczego miałbym się przejmować teorią względności? Nie mogę bez tego żyć doskonale? Odpowiedź jest taka, że nie możesz. za każdym razem, gdy pilot ląduje samolotem lub używasz GPS, aby określić, gdzie jesteś na przejażdżce lub wędrówce w kraju z tyłu, ty (lub przynajmniej Twoje urządzenie z obsługą GPS) musisz wziąć pod uwagę skutki zarówno ogólnej, jak i szczególnej teorii względności.

GPS opiera się na układzie 24 satelitów krążących wokół Ziemi, a co najmniej 4 z nich są widoczne z dowolnego miejsca na Ziemi. Każdy Satelita posiada precyzyjny zegar atomowy. Odbiornik GPS wykrywa sygnały z tych satelitów, które są nad głową i oblicza Twoją pozycję na podstawie czasu, w którym te sygnały dotarły do ciebie. Załóżmy, że chcesz wiedzieć, gdzie jesteś w odległości 50 stóp (urządzenia GPS mogą rzeczywiście zrobić znacznie lepiej niż to). Ponieważ podróż światła na odległość 50 stóp zajmuje tylko 50 miliardowych części sekundy, zegary na satelitach muszą być zsynchronizowane przynajmniej z tą dokładnością—i dlatego należy wziąć pod uwagę efekty relatywistyczne.

zegary na satelitach krążą wokół Ziemi z prędkością 14 000 kilometrów na godzinę i poruszają się znacznie szybciej niż zegary na powierzchni Ziemi. Zgodnie z teorią względności Einsteina zegary na satelitach tykają wolniej niż Zegary ziemskie o około 7 milionowych części sekundy dziennie. (Nie omówiliśmy specjalnej teorii względności, która zajmuje się zmianami, gdy obiekty poruszają się bardzo szybko, więc musicie uwierzyć nam na słowo w tej części.)

orbity satelitów znajdują się 20 000 kilometrów nad ziemią, gdzie grawitacja jest około cztery razy słabsza niż na powierzchni Ziemi. Ogólna teoria względności mówi, że orbitujące Zegary powinny tykać około 45 milionowych części sekundy szybciej niż na Ziemi. Efekt netto polega na tym, że czas na zegarze satelitarnym przesuwa się o około 38 mikrosekund dziennie. Jeśli te relatywistyczne efekty nie zostaną uwzględnione, błędy nawigacyjne zaczną się sumować i pozycje zostaną oddalone o około 7 mil w ciągu jednego dnia.

Słowniczek

:

wzrost długości fali fali elektromagnetycznej (światła) podczas propagacji z lub w pobliżu masywnego obiektu