Айндағы гравитациялық уақыттың өзгеруін зерттеу эксперименті
Gravity Probe A
Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясын зерттеу үшін ғарышта жүргізілген Gravity Probe A эксперименті. Уақыттың өту жылдамдығын өлшеу, гравитациялық өріс әсері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жалпы салыстырмалылық теориясын сынау үшін ғарышқа негізделген эксперимент.
Space based experiment to test the theory of general relativity
Gravity Probe A (GP A) – Эйнштейннің салыстырмалылық теориясының ерекшелігі болып табылатын эквиваленттілік принципін сынау үшін ғарышқа негізделген эксперимент. Бұл зерттеуді Смитсониян астрофизикалық обсерваториясы мен Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасы бірлесіп жүргізді. Эксперимент жоғары дәлдігі бар сутек мазерасы жиілік стандартын ғарышқа жіберіп, әлсіз гравитациялық өрісте уақыттың өту жылдамдығын жоғары дәлдікпен өлшеу үшін жасалды. Массалар кеңістік-уақытта бұрмалаулар тудырады, бұл ұзындықтың қысқаруы және уақыттың өзгеруі сияқты әсерлерге алып келеді, олар Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясымен болжанған нәтижелер. Кеңістік-уақыттың иілуіне байланысты, Жердегі бақылаушы (төмен гравитациялық потенциалда) биіктіктегі бақылаушыға қарағанда (жоғары гравитациялық потенциалда) уақыттың өту жылдамдығын баяу өлшеуі керек. Бұл әсер гравитациялық уақыттың өзгеруі деп аталады. Эксперимент Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының маңызды салдары – эквиваленттілік принципін сынау болды. Эквиваленттілік принципінде біркелкі гравитациялық өрістегі координаттық жүйе, біркелкі үдеудегі координаттық жүйеден ажыратылмайды. Сонымен қатар, эквиваленттілік принципі біркелкі үделетін координаттық жүйеде кездесетін әртүрлі уақыт ағыны құбылысы, біркелкі гравитациялық өрістегі тұрақты координаттық жүйеде де болады деп болжайды. Зонд 1976 жылдың 18 маусымында Вирджиния штатының Уоллопс аралында орналасқан NASA Уоллопс ғарыш орталығынан ұшырылды. Зонд Скаут зымыранымен тасымалданып, жоспарланғандай 1 сағат 55 минут бойы ғарышта болды. Ол Атлант мұхитына құлап, Жерге қайта оралды.
Gravity Probe A (GP A) was a space based experiment to test the equivalence principle, a feature of Einstein's theory of relativity. It was performed jointly by the Smithsonian Astrophysical Observatory and the National Aeronautics and Space Administration. The experiment sent a hydrogen masera highly accurate frequency standardinto space to measure with high precision the rate at which time passes in a weaker gravitational field. Masses cause distortions in spacetime, which leads to the effects of length contraction and time dilation, both predicted results of Albert Einstein's theory of general relativity. Because of the bending of spacetime, an observer on Earth (in a lower gravitational potential) should measure a slower rate at which time passes than an observer that is higher in altitude (at higher gravitational potential). This effect is known as gravitational time dilation. The experiment was a test of a major consequence of Einstein's general relativity, the equivalence principle. The equivalence principle states that a reference frame in a uniform gravitational field is indistinguishable from a reference frame that is under uniform acceleration. Further, the equivalence principle predicts that phenomenon of different time flow rates, present in a uniformly accelerating reference frame, will also be present in a stationary reference frame that is in a uniform gravitational field. The probe was launched on June 18, 1976 from the NASA Wallops Flight Center in Wallops Island, Virginia. The probe was carried via a Scout rocket, and attained a height of , while remaining in space for 1 hour and 55 minutes, as intended. It returned to Earth by splashing down into the Atlantic Ocean.
Өмірбаян
Гравитациялық зонд А экспериментінің мақсаты – эквиваленттік принциптің дұрыстығын тексеру еді. Эквиваленттік принцип – Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының маңызды құралы, ол физика заңдары үдемелі айналымдық жүйеде де, біртекті гравитациялық өріс әсер ететін айналымдық жүйеде де бірдей екенін көрсетеді.
The objective of the Gravity Probe A experiment was to test the validity of the equivalence principle. The equivalence principle is a key component of Albert Einstein's theory of general relativity, and states that the laws of physics are the same in an accelerating reference frame as they are in a reference frame that is acted upon by a uniform gravitational field.
Теңдестік қағидаты
Теңдестік принципін екі сценарийдегі зымыран кемесін салыстыру арқылы түсінуге болады. Біріншіден, Жер бетінде тұрған зымыран кемесін елестетіңіз; зымыран кемесінің ішінде түсірілген заттар 9.8 үдеумен еденге қарай түседі. Енді, Жердің гравитациялық өрісінен шығып, зымыран қозғалтқыштарының итеруінен 9.8 тұрақты үдеумен жылдамдық алатын алыс зымыран кемесін елестетіңіз; зымыран кемесіндегі еркін қозғалатын заттар 9.8 үдеумен еденге қарай қозғалады. Бұл мысал біркелкі үдейтін координаттық жүйенің гравитациялық координаттық жүйеден ажыратылмайтынын көрсетеді. Сонымен қатар, теңдестік принципі инерциялық әсерлерден туындаған құбылыстардың гравитациялық әсерлердің нәтижесінде де пайда болатынын болжайды. Зымыран кемесінде көлденең бағытта шағылысқан жарық сәулесін қарастырыңыз, ал зымыран кемесі үдейді. Зымыран кемесінен тыс, үдемейтін бақылаушының пікірінше, зымыран кемесінің едені жарық сәулесіне қарай үдейді. Сондықтан, зымыран кемесінің ішіндегі бақылаушы үшін жарық сәулесі көлденең бағытта емес, еденге қарай иілгендей көрінеді. Бұл жарықтың иілуіне себеп болатын инерциялық әсердің мысалы. Теңдестік принципі бұл инерциялық құбылыстың гравитациялық координаттық жүйеде де орын алатынын айтады. Шындығында, гравитациялық линза құбылысы материя жарықты иілуге қабілетті екенін көрсетеді, және бұл құбылыс Хаббл ғарыш телескопы және басқа да эксперименттер арқылы байқалды.
The equivalence principle can be understood by comparing a rocket ship in two scenarios. First, imagine a rocket ship that is at rest on the Earth's surface; objects dropped within the rocket ship will fall towards the floor with an acceleration of 9.8. Now, imagine a distant rocket ship that has escaped Earth's gravitational field and is accelerating at a constant 9.8 due to thrust from its rockets; objects in the rocket ship that are unconstrained will move towards the floor with an acceleration of 9.8. This example shows one way that a uniformly accelerating reference frame is indistinguishable from a gravitational reference frame. Furthermore, the equivalence principle postulates that phenomena that are caused by inertial effects will also be present due to gravitational effects. Consider a beam of light that is shined horizontally across a rocket ship, which is accelerating. According to a non accelerating observer outside the rocket ship, the floor of the rocket ship accelerates towards the light beam. Therefore, the light beam does not seem to travel on a horizontal path according to the inside observer, rather the light ray appears to bend toward the floor. This is an example of an inertial effect that causes light to bend. The equivalence principle states that this inertial phenomenon will occur in a gravitational reference frame as well. Indeed, the phenomenon of gravitational lensing states that matter can bend light, and this phenomenon has been observed by the Hubble Space Telescope, and other experiments.
Уақыт аралығы
Уақыттың өзгеруі – уақыттың өту жылдамдығының кеңеюі немесе қысқаруын білдіреді және ол Гравитациялық Зонд А экспериментінің тақырыбы болды. Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы бойынша, материя қоршаған кең-уақытты бұрмалайды. Бұл бұрмалау үлкен объектінің жанында уақыттың алыстағы бақылаушыға қарағанда баяу өтуіне себеп болады. Сфералық симметриялы гравитациялық денеді қоршап тұратын Шварцшильд метрикасы, денеге жақын жерде кішірек коэффициентке ие, яғни сол жерде уақыт ағыны баяулайды. Эйнштейннің арнайы салыстырмалылық теориясында (гравитация және қисық кең-уақыт идеясын қамтымайды) уақыттың өзгеруіне қатысты ұқсас идея бар. Мұндай уақыттың өзгеруі жазық кеңістіктегі біркелкі үдеп бара жатқан бөлшекке бекітілген Риндлер координаттарында көрінеді. Мұндай бөлшек өзі үдеп бара жатқан жағында уақыттың жылдам, ал қарама-қарсы жағында баяу өтіп жатқанын байқайды. Осы уақыттың айқын өзгеруінен Эйнштейн бөлшектің жылдамдығының өзгеруі бір мезгілділіктің салыстырмалылығына әсер етеді деген қорытынды жасады. Эйнштейннің эквиваленттілік принципі осы ұқсастықты жалпылайды, үдеп бара жатқан анықтамалық жүйенің инерциялық анықтамалық жүйеден, оған гравитациялық күш әсер еткеннен жергілікті түрде ажырату мүмкін емес екенін көрсетеді. Осылайша, Гравитациялық Зонд А эквиваленттілік принципін сынау болды, гравитация әсерінен инерциялық анықтамалық шеңбердегі (арнайы салыстырмалылық теориясының) байқауларды, сол шеңбер үшін арнайы салыстырмалылықтың болжауларымен салыстырды, оның үстіне бұл шеңберді еркін құлауға қатысты жоғары қарай үдеп бара жатқан жүйе ретінде қарастыруға болады, ол инерциялық және гравитациялық күшсіз деп есептеледі.
Time dilation refers to the expansion or contraction in the rate at which time passes, and was the subject of the Gravity Probe A experiment. Under Einstein's theory of general relativity, matter distorts the surrounding spacetime. This distortion causes time to pass more slowly in the vicinity of a massive object, compared to the rate experienced by a distant observer. The Schwarzschild metric, surrounding a spherically symmetric gravitating body, has a smaller coefficient at closer to the body, which means slower rate of time flow there. There is a similar idea of time dilation occurrence in Einstein's theory of special relativity (which involves neither gravity nor the idea of curved spacetime). Such time dilation appears in the Rindler coordinates, attached to a uniformly accelerating particle in a flat spacetime. Such a particle would observe time passing faster on the side it is accelerating towards and more slowly on the opposite side. From this apparent variance in time, Einstein inferred that change in velocity affects the relativity of simultaneity for the particle. Einstein's equivalence principle generalizes this analogy, stating that an accelerating reference frame is locally indistinguishable from an inertial reference frame with a gravity force acting upon it. In this way, the Gravity Probe A was a test of the equivalence principle, matching the observations in the inertial reference frame (of special relativity) of the Earth's surface affected by gravity, with the predictions of special relativity for the same frame treated as being accelerating upwards with respect to free fall reference, which can thought of being inertial and gravity less.
Эксперименттік қондырғы
60 Гравитация Зонд А ғарыш кемесі атомдық сутегі мазер жүйесін қамтыды. Мазер – микротолқынды күшейтудің стимуляцияланған сәулелену арқылы эмиссиясының аббревиатурасы, ол лазерге ұқсас, себебі электромагниттік спектрдің микротолқындық аймағында когерентті электромагниттік толқындар жасайды. Сутек мазері өте дәл сигнал (секундына 1,42 миллиард цикл) шығарады, ол квадриллионның бір бөлігіне дейін өте тұрақты. Бұл 100 миллион жыл ішінде екі секундтан кем ауытқатын сағатқа тең. Мазер жиілігінен алынған микротолқын сигналы миссия бойында Жерге берілді. Ракетадан алынған бір бағытты сигнал ракета жылдамдығына байланысты релятивистік Доплер эффектісіне ұшырады, сондай-ақ, өте аз мөлшерде гравитациялық Доплер көк түске қарай ығыстырылды. Ракетадағы сутек мазерінен басқа, Жердегі тағы бір сутек мазері ракетаға үздіксіз микротолқын сигналын беру үшін қолданылды. Ракетада орнатылған микротолқындық транспондер сигналды Жерге қайтарды. Жоғары қарай ұшқанда, ракетаның жылдамдығына байланысты сигнал Доплер эффектісіне ұшырады және өте аз мөлшерде гравитациялық қызыл түске қарай ығыстырылды. Жерде алынған транспондер сигналы ракета жылдамдығына байланысты Доплер эффектісіне ұшырады және жоғары қарай ұшқанда қызыл түске ығысқандай дәл сондай мөлшерде гравитациялық көк түске қарай ығыстырылды. Гравитациялық Доплер эффектісі жоғары қарай ұшқандағы сигналдарда әрқашан төмен қарай ұшқандағы гравитациялық Доплер эффектісін толығымен өтеседі, сондықтан Жерде алынған сигналдың екі жақты Доплер эффектісі тек ракета жылдамдығына тәуелді болды. Микротолқынды жиілік араластырғышта, жер мазерінің транспондерленген сигналынан алынған екі жақты Доплер ығысуының жартысы ғарыш мазерінің Доплер ығысуынан алынып тасталды. Осылайша, ғарыш кемесінің қозғалысына байланысты Доплер ығысуы толығымен жойылды, тек Доплер ығысуының гравитациялық компоненті қалды. Зонд үлкен гравитациялық потенциал өзгерісін тудыру үшін дерлік тік бағытта жоғары қарай ұшырылды, бұл биікте жалпы салыстырмалылық теориясы сағат Жердегіден 4,5 есе жылдам, яғни шамамен 73 жыл сайын бір секундқа жуық жүруі керек екенін болжады. Мазер осцилляциялары сағаттың соққыларын білдірді, ал мазер жиілігін өлшеу арқылы, биіктігі өзгерер кезде гравитациялық уақыттың созылу әсері анықталды.
The 60 Gravity Probe A spacecraft housed an atomic hydrogen maser system. Maser is an acronym for microwave amplification by stimulated emission of radiation, and is similar to a laser, as it produces coherent electromagnetic waves in the microwave region of the electromagnetic spectrum. A hydrogen maser produces a very accurate signal (1.42 billion cycles per second), which is highly stableto one part in a quadrillion This is equivalent to a clock that drifts by less than two seconds every 100 million years. A microwave signal derived from the maser frequency was transmitted to the ground throughout the mission. The one way signal received from the rocket was relativistically Doppler shifted due to the speed of the rocket and in addition was gravitationally Doppler blue shifted by a minute amount. In addition to the hydrogen maser carried by the rocket, another hydrogen maser on the ground was used as a source for continuous transmission of a microwave signal to the rocket. A microwave transponder carried on the rocket returned the signal to the Earth. On the way up, the signal received by the rocket was Doppler shifted due to the speed of the rocket and was gravitationally red shifted by a minute amount. The transponder signal received on the ground was Doppler shifted due to the speed of the rocket and was gravitationally blue shifted by the same amount that it was red shifted on the way up. Since the gravitational Doppler shift of the signals on the way up always exactly cancelled the gravitational Doppler shift on its way down, the two way Doppler shift of the signal received on the ground depended only on the speed of the rocket. In a microwave frequency mixer, one half of the two way Doppler shift from the transponded ground maser signal was subtracted from the Doppler shift of the space maser. In this way, the Doppler shift due to the spacecraft's motion was completely cancelled out, leaving only the gravitational component of the Doppler shift. The probe was launched nearly vertically upward to cause a large change in the gravitational potential, reaching a height of At this height, general relativity predicted a clock should run 4.5 parts in faster than one on the Earth, or about one second every 73 years. The maser oscillations represented the ticks of a clock, and by measuring the frequency of the maser as it changed elevation, the effects of gravitational time dilation were detected.
Нәтижелер
Эксперименттің мақсаты жоғары гравитациялық потенциалда уақыттың өту жылдамдығын өлшеу болды, сондықтан оны тексеру үшін зондтағы мазер Жерде қалған ұқсас мазермен салыстырылды. Екі сағаттың жылдамдығын салыстыру мүмкіндігі туғанға дейін, ғарышқа жіберілген мазер өлшеген сағат жылдамдығынан Доплер эффектісі алынып тасталды, бұл Жердегі бақылаушылар мен зондтың қозғалысы арасындағы салыстырмалы қозғалысты түзету үшін жасалды. Содан кейін екі сағаттың жылдамдығы салыстырылды және екі сағаттың жылдамдығының қандай болуы керектігінің теориялық болжамдарымен қосымша салыстырылды. Мазердің тұрақтылығы 100 секундтық өлшеу кезінде мазердің жылдамдығындағы 1 бөліктік өзгерісті өлшеуге мүмкіндік берді. Осылайша, эксперимент эквиваленттілік принципін сынап көрді. Gravity Probe A болжамды растады: гравитациялық ұңғыманың тереңдігіне қарай уақыт ағыны баяулайды, ал байқалған эффекттер шамамен 70 миллионнан бір бөлік дәлдікпен болжамдалған эффекттермен сәйкес келді.
The goal of the experiment was to measure the rate at which time passes in a higher gravitational potential, so to test this the maser in the probe was compared to a similar maser that remained on Earth. Before the two clock rates could be compared, the Doppler shift was subtracted from the clock rate measured by the maser that was sent into space, to correct for the relative motion between the observers on Earth and the motion of the probe. The two clock rates were then compared and further compared against the theoretical predictions of how the two clock rates should differ. The stability of the maser permitted measurement of changes in the rate of the maser of 1 part in for a 100 second measurement. The experiment was thus able to test the equivalence principle. Gravity Probe A confirmed the prediction that deeper in the gravity well, the flow of time is slower, and the observed effects matched the predicted effects to an accuracy of about 70 parts per million.