Gravitationstidsutvidgning

Gravitationstidsdilatation  är en form av tidsdilatation , den faktiska skillnaden i förfluten tid mellan två händelser mätt av observatörer på olika avstånd från den graviterande massan. Ju lägre gravitationspotentialen (ju närmare klockan är gravitationskällan), desto långsammare flyter tiden och accelererar med ökande gravitationspotential (klockan rör sig bort från gravitationskällan). Albert Einstein förutspådde ursprungligen denna effekt i sin relativitetsteori och den har sedan dess bekräftats av allmän relativitetstester . [ett]

Det har visats att atomklockor på olika höjder (och därför vid punkter med olika gravitationspotentialer) kommer att visa olika tider. Effekterna som hittas i sådana markbaserade experiment är extremt små och skillnaderna mäts i nanosekunder . I förhållande till jordens ålder på 4,54 miljarder år är jordens kärna faktiskt 2,5 år yngre än dess yta. [2] Att demonstrera stora effekter skulle kräva större avstånd från jorden eller en större gravitationskälla.

Gravitationstidsdilatation beskrevs första gången av Albert Einstein 1907 [3] som en konsekvens av den speciella relativitetsteorin i accelererade referensramar. I den allmänna relativitetsteorien anses det vara skillnaden i tidens gång i olika positioner, beskriven av den metriska rumtids-tensorn . Förekomsten av gravitationstidsdilatation bekräftades först direkt av ett experiment av Pound och Rebka 1959.

När man använder formlerna för allmän relativitet för att beräkna förändringen i energi och frekvens för en signal (förutsatt att vi försummar effekterna av beroendet av banan, orsakat till exempel av att dra rymden runt ett roterande svart hål ), är gravitationsrödförskjutningen precis motsatsen till det violetta skiftet. Således motsvarar den observerade förändringen i frekvens den relativa skillnaden i klockans hastighet vid mottagnings- och sändningspunkterna.

Medan gravitationsrödförskjutning mäter den observerade effekten, berättar gravitationstidsdilatation vad som kan slutas från resultaten av observationen. Det vill säga, med andra ord: genom att mäta ett enda rött/lila skift för valfri metod för att skicka signaler "därifrån" - "här", kommer vi till slutsatsen att samma klocka som vår går "på något sätt fel", snabbare eller långsammare .

För ett statiskt gravitationsfält kan gravitationsrödförskjutningen helt förklaras av skillnaden i tidshastighet vid punkter med olika gravitationspotentialer. Låt oss citera Wolfgang Pauli: ”I fallet med ett statiskt gravitationsfält kan man alltid välja tidskoordinaten på ett sådant sätt att storheterna g ik inte beror på den. Då kommer antalet vågor av ljusstrålen mellan de två punkterna P1 och P2 också att vara oberoende av tid och därför kommer frekvensen av ljuset i strålen, mätt i en given tidsskala, att vara densamma vid P1 och P2 och därmed oberoende av observationsplatsen.

Men enligt modern metrologi bestäms tiden lokalt för en godtycklig världslinje för observatören (i det särskilda fallet, för samma punkt i rymden över tiden) genom identiska atomur (se definitionen av den andra ). Med en sådan definition av tid är klockans frekvens strikt specificerad och kommer att skilja sig från linje till linje (från punkt till punkt), vilket leder till att den befintliga frekvensskillnaden, till exempel i Pound-Rebka-experimentet, eller den röda förskjutningen av spektrallinjerna som sänds ut från solens eller neutronstjärnornas yta, finner sin förklaring i skillnaden i hastigheten för fysisk tid (mätt med vanliga atomklockor) mellan emissions- och mottagningspunkterna. Faktum är att eftersom ljusets hastighet anses vara ett konstant värde, är våglängden styvt relaterad till frekvensen , så att ändra våglängden motsvarar att ändra frekvensen och vice versa.

Om till exempel sfäriska ljusblixtar sänds ut vid något tillfälle, kan koordinat-”tids”-intervallen mellan blixtarna, var som helst i regionen med ett gravitationsfält, göras lika - genom att på lämpligt sätt välja tidskoordinaten . Den verkliga förändringen i det uppmätta tidsintervallet bestäms av skillnaden i hastigheten för den standardmässiga identiska klockan mellan världens emissions- och mottagningslinjer. Samtidigt, i det statiska fallet, är det absolut oviktigt vad exakt signalerna sänds av: ljusblixtar, pucklar av elektromagnetiska vågor, akustiska signaler, kulor eller paket via post - alla överföringsmetoder kommer att uppleva exakt samma "röda / lila skift" [4] .

I det icke-stationära fallet är det i allmänhet omöjligt att skilja "gravitations" förskjutningen från "Doppler" förskjutningen på ett exakt och oföränderligt sätt, som till exempel i fallet med universums expansion . Dessa effekter är av samma karaktär och beskrivs av den allmänna relativitetsteorin på ett enda sätt. En viss komplikation av rödförskjutningsfenomenet för elektromagnetisk strålning uppstår när man tar hänsyn till den icke-triviala utbredningen av strålning i ett gravitationsfält (effekterna av en dynamisk förändring i geometri, avvikelser från geometrisk optik , förekomsten av gravitationslinser , gravimagnetism , rymdmotstånd , och så vidare, som gör förskjutningsvärdet beroende av ljusets utbredningsbana) , men dessa subtiliteter bör inte överskugga den ursprungliga enkla idén: klockans hastighet beror på dess position i rum och tid.

Inom den newtonska mekaniken är en förklaring av gravitationsrödförskjutningen i grunden möjlig – återigen genom införandet av gravitationspotentialens påverkan på klockan, men detta är mycket svårt och ogenomskinligt ur begreppsmässig synvinkel. Den vanliga metoden att härleda rödförskjutningen som övergången av ljusets kinetiska energi till potentiell energi i själva grunden tilltalar relativitetsteorin och kan inte anses vara korrekt [5] . I Einsteins gravitationsteori förklaras rödförskjutningen av själva gravitationspotentialen: den är inget annat än en manifestation av rum-tidsgeometrin som är förknippad med relativiteten för den fysiska tidstakten.

Mått

Gravitationsrödförskjutning försökte mäta[ när? ] med hjälp av ett par exakta klockor placerade med minst 30 cm mellanrum, men synkroniseringssvårigheter och bristande tillförlitlig noggrannhet hindrade teorin från att bekräftas med en hög grad av tillförsikt i resultatet.

År 2022 delade JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics, USA) forskare hundratusentals strontiumatomer i "pannkaksformade" droppar med 30 atomer. Med hjälp av en speciell optisk metod monterades en vertikal stapel 1 mm hög från sådana "pannkakor". Den resulterande stapeln bestrålades med en laser och det spridda ljuset mättes med en höghastighetskamera. Eftersom atomerna var ordnade vertikalt, gjorde jordens gravitation att svängningsfrekvensen i varje grupp ändrades olika mycket, och en skillnad hittades mellan tiden för toppen av "stacken" och botten. Det visade sig att i den övre delen släpade tiden efter den lägsta med 10 -19 bråkdelar av en sekund. [6] [7]

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Einstein, A. Relativitet: den speciella och allmänna teorin av Albert  Einstein . — Projekt Gutenberg , 2004.
  2. ↑ Uggerhøj, UI; Mikkelsen, RE; Faye, J. The young center of the Earth  (engelska)  // European Journal of Physics  : tidskrift. - 2016. - Vol. 37 , nr. 3 . — S. 035602 . - doi : 10.1088/0143-0807/37/3/035602 . - . — arXiv : 1604.05507 .
  3. ↑ A. Einstein, "Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen", Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik 4, 411-462 (1907); Engelsk översättning, i "Om relativitetsprincipen och slutsatserna från den", i "The Collected Papers", v.2, 433-484 (1989); även i HM Schwartz, "Einsteins omfattande essä från 1907 om relativitetsteori, del I", American Journal of Physics vol.45, nr.6 (1977) s.512-517; Del II i American Journal of Physics vol. 45 nr 9 (1977), s. 811-817; Del III i American Journal of Physics vol.45 nr.10 (1977), s.899-902, se Del I, II och III Arkiverad 28 november 2020 på Wayback Machine .
  4. ↑ Marie Antoinette Tonela. "Frekvenser i den allmänna relativitetsteorin. Teoretiska definitioner och experimentella verifikationer.» // Einsteins samling 1967 / Ed. ed. I. E. Tamm och G. I. Naan. — M.: Nauka, 1967. — S. 175−214.
  5. ↑ Okun L. B., Selivanov K. G., Telegdi V. L. "Gravity, photons, clocks". UFN , 1999, volym 169, nr 10, sid. 1141-1147.
  6. ↑ Einstein hade rätt: tidsutvidgningen mättes på den mest exakta atomklockan Arkiverad 18 februari 2022 på Wayback Machine // 2022-02-17
  7. ↑ Fysiker mäter gravitationskrökningen av tiden till närmaste millimeter Arkiverad 18 februari 2022 på Wayback Machine

Länkar