Gravity Probe A ( GP-A ) был космическим экспериментом по проверке принципа эквивалентности , особенности теории относительности Эйнштейна. Он был выполнен совместно Смитсоновской астрофизической обсерваторией и Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства . Эксперимент отправил в космос водородный мазер — высокоточный стандарт частоты — для измерения с высокой точностью скорости течения времени в более слабом гравитационном поле . Массы вызывают искажения в пространстве-времени , что приводит к эффектам сокращения длины и замедления времени , оба из которых предсказывались общей теорией относительности Альберта Эйнштейна . Из-за искривления пространства-времени наблюдатель на Земле (в более низком гравитационном потенциале) должен измерять более медленную скорость течения времени, чем наблюдатель, находящийся выше по высоте (в более высоком гравитационном потенциале). Этот эффект известен как гравитационное замедление времени .
Эксперимент был проверкой главного следствия общей теории относительности Эйнштейна — принципа эквивалентности. Принцип эквивалентности гласит, что система отсчета в однородном гравитационном поле неотличима от системы отсчета, находящейся под равномерным ускорением. Кроме того, принцип эквивалентности предсказывает, что явление различных скоростей течения времени, присутствующее в равномерно ускоряющейся системе отсчета, будет также присутствовать в неподвижной системе отсчета, находящейся в однородном гравитационном поле.
Зонд был запущен 18 июня 1976 года из NASA-Wallops Flight Center в Уоллопс-Айленд, Вирджиния. Зонд был запущен с помощью ракеты Scout и достиг высоты 10 000 км (6 200 миль), оставаясь в космосе 1 час и 55 минут, как и предполагалось. Он вернулся на Землю, приводнившись в Атлантическом океане. [4]
Целью эксперимента Gravity Probe A была проверка справедливости принципа эквивалентности. Принцип эквивалентности является ключевым компонентом общей теории относительности Альберта Эйнштейна и гласит, что законы физики в ускоряющейся системе отсчета одинаковы, как и в системе отсчета, на которую действует однородное гравитационное поле .
Принцип эквивалентности можно понять, сравнив ракету в двух сценариях. Во-первых, представьте себе ракету, которая находится в состоянии покоя на поверхности Земли; предметы, сброшенные внутри ракеты, будут падать на пол с ускорением9,8 м/с 2. Теперь представьте себе далекий ракетный корабль, который покинул гравитационное поле Земли и ускоряется с постоянной скоростью.9,8 м/с 2 из-за тяги его ракет; объекты в ракетном корабле, которые не ограничены, будут двигаться к полу с ускорением9,8 м/с 2. Этот пример показывает один из способов, с помощью которых равномерно ускоряющаяся система отсчета неотличима от гравитационной системы отсчета.
Кроме того, принцип эквивалентности постулирует, что явления, вызванные инерционными эффектами, также будут присутствовать из-за гравитационных эффектов. Рассмотрим луч света, который падает горизонтально на ускоряющийся ракетный корабль. По мнению не ускоряющегося наблюдателя снаружи ракетного корабля, пол ракетного корабля ускоряется по направлению к лучу света. Поэтому, по мнению внутреннего наблюдателя, луч света не движется по горизонтальной траектории, а, скорее, луч света изгибается по направлению к полу. Это пример инерционного эффекта, который заставляет свет изгибаться. Принцип эквивалентности утверждает, что это инерционное явление будет происходить и в гравитационной системе отсчета. Действительно, явление гравитационного линзирования утверждает, что материя может изгибать свет, и это явление наблюдалось космическим телескопом Хаббл и другими экспериментами.
Замедление времени относится к расширению или сжатию скорости течения времени и было предметом эксперимента Gravity Probe A. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, материя искажает окружающее пространство-время . Это искажение заставляет время течь медленнее вблизи массивного объекта по сравнению со скоростью, которую испытывает удаленный наблюдатель. Метрика Шварцшильда , окружающая сферически симметричное гравитирующее тело, имеет меньший коэффициент при приближении к телу, что означает более медленную скорость течения времени там.
Похожая идея о возникновении замедления времени есть в специальной теории относительности Эйнштейна (которая не включает ни гравитацию, ни идею искривленного пространства-времени). Такое замедление времени появляется в координатах Риндлера , привязанных к равномерно ускоряющейся частице в плоском пространстве-времени. Такая частица наблюдала бы, как время течет быстрее на той стороне, к которой она ускоряется, и медленнее на противоположной стороне. Из этой кажущейся дисперсии во времени Эйнштейн сделал вывод, что изменение скорости влияет на относительность одновременности для частицы. Принцип эквивалентности Эйнштейна обобщает эту аналогию, утверждая, что ускоряющаяся система отсчета локально неотличима от инерциальной системы отсчета с действующей на нее силой тяжести. Таким образом, Gravity Probe A был проверкой принципа эквивалентности, сопоставляя наблюдения в инерциальной системе отсчета (специальной теории относительности) поверхности Земли, подверженной воздействию 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.
The60 кг Gravity Probe A Космический корабль вмещал атомарную водородную мазерную систему. Мазер — это аббревиатура от слова «microwave amplification by impulse emiting of radiation» (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения), и он похож на лазер, поскольку он производит когерентные электромагнитные волны в микроволновой области электромагнитного спектра. Водородный мазер производит очень точный сигнал (1,42 миллиарда циклов в секунду), который очень стабилен — до одной квадриллионной (1015 ). Это эквивалентно часам, которые смещаются менее чем на две секунды каждые 100 миллионов лет. [5] Микроволновый сигнал, полученный из частоты мазера, передавался на землю на протяжении всей миссии. Односторонний сигнал, полученный от ракеты, был релятивистски смещен Доплером из-за скорости ракеты и, кроме того, был гравитационно смещен Доплером в синюю сторону на небольшую величину.
В дополнение к водородному мазеру, перевозимому ракетой, еще один водородный мазер на земле использовался в качестве источника для непрерывной передачи микроволнового сигнала на ракету. Микроволновый транспондер, перевозимый на ракете, возвращал сигнал на Землю. На пути вверх сигнал, принятый ракетой, был смещен Доплером из-за скорости ракеты и был гравитационно смещен в красную сторону на незначительную величину. Сигнал транспондера, принятый на земле, был смещен Доплером из-за скорости ракеты и был гравитационно смещен в синюю сторону на ту же величину, что и в красную сторону на пути вверх. Поскольку гравитационное доплеровское смещение сигналов на пути вверх всегда точно компенсировало гравитационное доплеровское смещение на пути вниз, двухстороннее доплеровское смещение сигнала, принимаемого на земле, зависело только от скорости ракеты.
В микроволновом смесителе частот половина двухстороннего доплеровского сдвига от транспонированного сигнала наземного мазера вычиталась из доплеровского сдвига космического мазера. Таким образом, доплеровский сдвиг из-за движения космического корабля был полностью нейтрализован, оставляя только гравитационную составляющую доплеровского сдвига.
Зонд был запущен почти вертикально вверх, чтобы вызвать большое изменение гравитационного потенциала, достигнув высоты 10 000 км (6 200 миль). На этой высоте общая теория относительности предсказывала, что часы должны идти 4,5 части за 1010 быстрее, чем на Земле, или примерно за одну секунду каждые 73 года. [6] Колебания мазера представляли собой тиканье часов, и путем измерения частоты мазера при изменении его высоты были обнаружены эффекты гравитационного замедления времени.
Целью эксперимента было измерение скорости, с которой время проходит в более высоком гравитационном потенциале, поэтому для проверки этого мазер в зонде сравнивался с аналогичным мазером, который оставался на Земле. [стр. 1] Перед тем, как можно было сравнить две скорости хода часов, доплеровский сдвиг вычитался из скорости хода часов, измеренной мазером, который был отправлен в космос, чтобы скорректировать относительное движение между наблюдателями на Земле и движением зонда. Затем две скорости хода часов сравнивались и далее сравнивались с теоретическими предсказаниями того, как две скорости хода часов должны отличаться. Стабильность мазера позволяла измерять изменения скорости мазера в 1 часть в 1014 для 100-секундного измерения.
Таким образом, эксперимент позволил проверить принцип эквивалентности . Gravity Probe A подтвердил предсказание о том, что глубже в гравитационном колодце течение времени замедляется [7], а наблюдаемые эффекты совпали с предсказанными эффектами с точностью около 70 частей на миллион.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )