Проверка принципа эквивалентности в космосе: Эксперимент Gravity Probe A
Gravity Probe A
Проверка теории относительности Эйнштейна в космосе: эксперимент Gravity Probe A измерил замедление времени в слабом гравитационном поле. Точность и релятивистские эффекты.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Космический эксперимент для проверки теории общей относительности
Space based experiment to test the theory of general relativity
Гравитационный зонд А (GP A) был космическим экспериментом, предназначенным для проверки принципа эквивалентности – ключевого положения теории относительности Эйнштейна. Он был выполнен совместно Смитсоновской астрофизической обсерваторией и Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства. В рамках эксперимента в космос был отправлен водородный мазер – высокоточный эталон частоты – для измерения с высокой точностью скорости хода времени в более слабом гравитационном поле. Массы вызывают искажения пространства-времени, что приводит к эффектам сокращения длины и замедления времени, оба из которых предсказаны теорией относительности Альберта Эйнштейна. Из-за искривления пространства-времени, наблюдатель на Земле (в области с более низким гравитационным потенциалом) должен измерять меньшую скорость хода времени, чем наблюдатель на большей высоте (в области с более высоким гравитационным потенциалом). Этот эффект известен как гравитационное замедление времени. Эксперимент являлся проверкой важного следствия общей теории относительности Эйнштейна – принципа эквивалентности. Принцип эквивалентности утверждает, что система отсчета в однородном гравитационном поле неотличима от системы отсчета, находящейся под равномерным ускорением. Более того, принцип эквивалентности предсказывает, что явление различной скорости хода времени, наблюдаемое в равномерно ускоряющейся системе отсчета, также будет присутствовать в неподвижной системе отсчета, находящейся в однородном гравитационном поле. Зонд был запущен 18 июня 1976 года с космодрома NASA Wallops Flight Center на острове Уоллопс, штат Вирджиния. Доставка зонда осуществлялась ракетой-носителем Scout, и он достиг высоты , оставаясь в космосе в течение 1 часа 55 минут, как и планировалось. Он вернулся на Землю, приводнившись в Атлантическом океане.
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.
Предыстория
Целью эксперимента Gravity Probe A было проверить справедливость принципа эквивалентности. Принцип эквивалентности — ключевой элемент теории относительности Альберта Эйнштейна, утверждающий, что законы физики одинаковы в ускоренной системе отсчета и в системе отсчета, подверженной однородному гравитационному полю.
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.
Принцип эквивалентности
Принцип эквивалентности можно понять, сравнив ракетный корабль в двух сценариях. Во-первых, представьте себе ракетный корабль, находящийся в покое на поверхности Земли; предметы, сброшенные внутри ракетного корабля, будут падать к полу с ускорением 9,8. Теперь представьте себе удалённый ракетный корабль, покинувший гравитационное поле Земли и ускоряющийся с постоянным ускорением 9,8 благодаря тяге своих ракет; несвязанные объекты внутри ракетного корабля будут двигаться к полу с ускорением 9,8. Этот пример показывает, как равномерно ускоряющаяся система отсчёта неотличима от гравитационной системы отсчёта. Более того, принцип эквивалентности постулирует, что явления, вызванные инерциальными эффектами, также будут возникать под действием гравитационных эффектов. Рассмотрим луч света, направленный горизонтально через ускоряющийся ракетный корабль. Согласно неподвижному наблюдателю, пол ракетного корабля ускоряется навстречу лучу света. Следовательно, внутренний наблюдатель увидит, что луч света не движется по горизонтальной траектории, а, скорее, изгибается к полу. Это пример инерциального эффекта, вызывающего изгиб света. Принцип эквивалентности утверждает, что это инерциальное явление будет происходить и в гравитационной системе отсчёта. Действительно, явление гравитационного линзирования показывает, что материя способна изгибать свет, и это явление было наблюдено космическим телескопом Хаббл и другими экспериментами.
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.
Расширение времени
Расширение времени относится к изменению скорости течения времени – его замедлению или ускорению – и являлось предметом эксперимента Gravity Probe A. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, материя искажает окружающее пространство-время. Это искажение приводит к тому, что время течет медленнее вблизи массивного объекта по сравнению со скоростью, которую наблюдает удаленный наблюдатель. Метрика Шварцшильда, описывающая пространство-время вокруг сферически симметричного гравитирующего тела, имеет меньший коэффициент при меньшем расстоянии до тела, что означает более медленный ход времени в этой точке. Аналогичный эффект замедления времени рассматривается и в специальной теории относительности Эйнштейна (которая не учитывает гравитацию и искривление пространства-времени). Такое замедление времени проявляется в координатах Риндлера, связанных с равномерно ускоряющейся частицей в плоском пространстве-времени. Такая частица будет наблюдать более быстрое течение времени на стороне, в направлении ускорения, и более медленное – на противоположной стороне. Из этого кажущегося различия в течении времени Эйнштейн заключил, что изменение скорости влияет на относительность одновременности для данной частицы. Принцип эквивалентности Эйнштейна обобщает эту аналогию, утверждая, что ускоряющаяся система отсчета локально неотличима от инерциальной системы отсчета, на которую действует сила гравитации. Таким образом, Gravity Probe A был проверкой принципа эквивалентности, сопоставляя наблюдения в инерциальной системе отсчета (в рамках специальной теории относительности) на поверхности Земли, подверженной гравитации, с предсказаниями специальной теории относительности для той же системы, рассматриваемой как ускоряющаяся вверх относительно системы отсчета свободного падения, которую можно считать инерциальной и не подверженной гравитации.
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.
Экспериментальная установка
Космический аппарат 60 "Гравитационный зонд А" содержал атомную водородную мазерную систему. Мазер – это акроним, обозначающий микроволновое усиление посредством вынужденного излучения, и он аналогичен лазеру, поскольку генерирует когерентные электромагнитные волны в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Водородный мазер производит очень точный сигнал (1,42 миллиарда циклов в секунду), который стабилен с точностью до одной части на квадриллион. Это эквивалентно часам, отклонение которых составляет менее двух секунд за 100 миллионов лет. Микроволновый сигнал, производный от частоты мазера, передавался на Землю на протяжении всей миссии. Односторонний сигнал, полученный с ракеты, испытывал релятивистский доплеровский сдвиг из-за скорости ракеты, а также гравитационный доплеровский синий сдвиг, незначительный по величине. Помимо водородного мазера, установленного на ракете, другой водородный мазер на Земле использовался в качестве источника для непрерывной передачи микроволнового сигнала на ракету. Микроволновой транспондер, установленный на ракете, возвращал сигнал на Землю. При подъеме сигнал, полученный ракетой, испытывал доплеровский сдвиг из-за скорости ракеты и гравитационный красный сдвиг, также незначительный по величине. Сигнал транспондера, полученный на Земле, испытывал доплеровский сдвиг из-за скорости ракеты и гравитационный синий сдвиг, равный по величине красному сдвигу, наблюдаемому при подъеме. Поскольку гравитационный доплеровский сдвиг сигналов при подъеме всегда точно компенсировал гравитационный доплеровский сдвиг при спуске, двусторонний доплеровский сдвиг сигнала, полученного на Земле, зависел только от скорости ракеты. В микроволновом частотном смесителе половина двустороннего доплеровского сдвига от сигнала наземного мазера, прошедшего через транспондер, вычиталась из доплеровского сдвига космического мазера. Таким образом, доплеровский сдвиг, вызванный движением космического аппарата, был полностью устранен, оставив только гравитационную составляющую доплеровского сдвига. Зонд был запущен почти вертикально вверх, чтобы создать большое изменение гравитационного потенциала, достигнув высоты, на которой, согласно общей теории относительности, часы должны идти на 4,5 части быстрее, чем на Земле, или примерно на одну секунду каждые 73 года. Колебания мазера представляли собой тики часов, и, измеряя изменение частоты мазера при изменении высоты, были обнаружены эффекты гравитационного замедления времени.
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.
Результаты
Целью эксперимента было измерить скорость течения времени в более высоком гравитационном потенциале, поэтому для проверки этого мазер в зонде сравнивали с аналогичным мазером, оставшимся на Земле. Прежде чем можно было сравнить частоты двух мазеров, из измеренной частоты мазера, отправленного в космос, вычли доплеровский сдвиг, чтобы учесть относительное движение между наблюдателями на Земле и движением зонда. Затем частоты двух мазеров были сравнены и сопоставлены с теоретическими предсказаниями о том, чем они должны отличаться. Стабильность мазера позволяла измерять изменения частоты мазера с точностью до одной части на 100 секунд измерения. Таким образом, эксперимент позволил проверить принцип эквивалентности. Gravity Probe A подтвердил предсказание о том, что глубже в гравитационном колодце время течет медленнее, и наблюдаемые эффекты соответствовали предсказанным с точностью около 70 частей на миллион.
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.