Гравитационный зонд А ( GP-A ) — космический эксперимент по проверке принципа эквивалентности , особенности теории относительности Эйнштейна. Его выполнили совместно Смитсоновская астрофизическая обсерватория и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . В ходе эксперимента был отправлен 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 , которые были предсказаны результатами общей теории относительности Альберта Эйнштейна . Из-за искривления пространства-времени наблюдатель на Земле (с более низким гравитационным потенциалом) должен измерять более медленную скорость течения времени, чем наблюдатель, находящийся на большей высоте (с более высоким гравитационным потенциалом). 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 в условиях равномерного ускорения. Кроме того, принцип эквивалентности предсказывает, что явление различных скоростей течения времени, присутствующее в равномерно ускоряющейся системе отсчета, будет также присутствовать и в стационарной системе отсчета, находящейся в однородном гравитационном поле.
Зонд был запущен 18 июня 1976 года из Летного центра НАСА-Уоллопс на острове Уоллопс, штат Вирджиния. Зонд был доставлен с помощью ракеты Scout и достиг высоты 10 000 км (6 200 миль), оставаясь в космосе, как и предполагалось, 1 час 55 минут. Он вернулся на Землю, приводнившись в Атлантический океан. [4]
Цель эксперимента Gravity Probe A заключалась в проверке справедливости принципа эквивалентности. Принцип эквивалентности является ключевым компонентом общей теории относительности Альберта Эйнштейна и утверждает, что законы физики одинаковы в ускоряющейся системе отсчета, как и в системе отсчета, на которую действует однородное гравитационное поле .
Принцип эквивалентности можно понять, сравнив ракетный корабль в двух сценариях. Сначала представьте себе ракетный корабль, покоящийся на поверхности Земли; предметы, брошенные внутрь ракеты, упадут 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 за счет тяги его ракет; объекты в ракетном корабле, которые не имеют ограничений, будут двигаться к полу с ускорением9,8 м/с 2 . Этот пример показывает один из способов, благодаря которому равномерно ускоряющаяся система отсчета неотличима от гравитационной системы отсчета.
Более того, принцип эквивалентности постулирует, что явления, вызванные инерционными эффектами, также будут присутствовать из-за гравитационных эффектов. Рассмотрим луч света, направленный горизонтально на ускоряющийся ракетный корабль. По мнению наблюдателя, не ускоряющегося за пределами ракетного корабля, пол ракетного корабля ускоряется в направлении светового луча. Таким образом, с точки зрения внутреннего наблюдателя, кажется, что луч света не движется по горизонтальной траектории, а скорее кажется, что луч света наклоняется к полу. Это пример инерционного эффекта, который заставляет свет искривляться. Принцип эквивалентности утверждает, что это инерционное явление будет происходить и в гравитационной системе отсчета. Действительно, феномен гравитационного линзирования утверждает, что материя может преломлять свет, и это явление наблюдалось с помощью космического телескопа Хаббла и других экспериментов.
Замедление времени относится к увеличению или сокращению скорости течения времени и было предметом эксперимента Gravity Probe A. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, материя искажает окружающее пространство-время . Это искажение приводит к тому, что время вблизи массивного объекта течет медленнее по сравнению со скоростью, наблюдаемой у удаленного наблюдателя. Метрика Шварцшильда , окружающая сферически-симметричное гравитирующее тело, имеет меньший коэффициент при приближении к телу, что означает более медленную скорость течения времени там.
Похожая идея возникновения замедления времени существует в специальной теории относительности Эйнштейна (которая не включает в себя ни гравитацию, ни идею искривленного пространства-времени). Такое замедление времени появляется в координатах Риндлера , прикрепленных к равномерно ускоряющейся частице в плоском пространстве-времени. Такая частица будет наблюдать, как время течет быстрее на стороне, к которой она ускоряется, и медленнее на противоположной стороне. Из этой кажущейся разницы во времени Эйнштейн сделал вывод, что изменение скорости влияет на относительность одновременности частицы. Принцип эквивалентности Эйнштейна обобщает эту аналогию, утверждая, что ускоряющаяся система отсчета локально неотличима от инерциальной системы отсчета, на которую действует сила тяжести. Таким образом, Гравитационный зонд А был проверкой принципа эквивалентности, сопоставляя наблюдения в инерциальной системе отсчета (специальной теории относительности) поверхности Земли, на которую действует гравитация, с предсказаниями специальной теории относительности для той же системы отсчета, рассматриваемой как ускорение вверх по отношению к свободному падению, которое можно считать инерционным и невесомым.
The Гравитационный зонд массой 60 кг На космическом корабле размещалась мазерная система на атомном водороде . Мазер — это аббревиатура от усиления микроволнового излучения за счет вынужденного излучения. Он похож на лазер, поскольку создает 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 части на квадриллион (1015 ). Это эквивалентно смещению часов менее чем на две секунды каждые 100 миллионов лет. [5] Микроволновой сигнал, полученный на мазерной частоте, передавался на землю на протяжении всей миссии. Односторонний сигнал, полученный от ракеты, был релятивистски доплеровски смещен из-за скорости ракеты и, кроме того, был гравитационно-доплеровски смещен в синюю сторону на небольшую величину.
Помимо водородного мазера, установленного на ракете, еще один водородный мазер на земле использовался в качестве источника непрерывной передачи микроволнового сигнала на ракету. Микроволновой транспондер, установленный на ракете, вернул сигнал на Землю. На пути вверх сигнал, полученный ракетой, был сдвинут доплером из-за скорости ракеты и сместился в красную сторону под действием гравитации на небольшую величину. Сигнал транспондера, полученный на земле, имел доплеровское смещение из-за скорости ракеты и гравитационно смещался в синюю сторону на ту же величину, на которую он смещался в красную сторону на пути вверх. Поскольку гравитационное доплеровское смещение сигналов на пути вверх всегда точно компенсировало гравитационное доплеровское смещение на пути вниз, двусторонний доплеровский сдвиг сигнала, полученного на земле, зависел только от скорости ракеты.
В смесителе микроволновых частот половина двустороннего доплеровского сдвига переданного сигнала наземного мазера вычиталась из доплеровского сдвига космического мазера. Таким образом, доплеровский сдвиг, вызванный движением космического корабля, был полностью нивелирован, осталась только гравитационная составляющая 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 со скоростью 4,5 частей за 10.В 10 раз быстрее, чем один на Земле, или примерно на одну секунду каждые 73 года. [6] Колебания мазера представляли собой тиканье часов, и путем измерения частоты мазера при изменении высоты были обнаружены эффекты гравитационного замедления времени.
Целью эксперимента было измерение скорости течения времени в условиях более высокого гравитационного потенциала, поэтому для проверки этого мазер в зонде сравнили с аналогичным мазером, оставшимся на Земле. [p 1] Прежде чем можно было сравнить две тактовые частоты, доплеровский сдвиг был вычтен из тактовой частоты, измеренной мазером, отправленным в космос, чтобы внести поправку на относительное движение между наблюдателями на Земле и движением зонда. Затем две тактовые частоты сравнивались и далее сравнивались с теоретическими предсказаниями того, как эти две тактовые частоты должны различаться. Стабильность мазера позволяла измерять изменения скорости мазера на 1 часть из 10.14 для 100-секундного измерения.
Таким образом, эксперимент позволил проверить принцип эквивалентности . Гравитационный зонд А подтвердил предсказание о том, что глубже в гравитационном колодце течение времени медленнее, [7] и наблюдаемые эффекты соответствовали предсказанным эффектам с точностью около 70 частей на миллион.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )