Гравитационный зонд A - Gravity Probe A

Гравитационный зонд A
	Схема Гравитационный зонд A эксперимент
Тип миссии	Астрофизика
Оператор	НАСА
COSPAR ID	ГРАВР-А
Продолжительность миссии	1 ч 51 м
Апогей	10,224 км (6,353 миль)
Свойства космического корабля
Космический корабль	GP-A
Стартовая масса	60 кг (130 фунтов)
Мощность	22 Вт
Начало миссии
Дата запуска	18 июня 1976 г.
Ракета	Разведчик
Запустить сайт	Уоллопс Летный Центр
Конец миссии
Утилизация	Списан
Деактивировано	17 июня 1976 г.

Гравитационный зонд A (GP-A) был космическим экспериментом по проверке принцип эквивалентности, особенность теории относительности Эйнштейна. Это было выполнено совместно Смитсоновская астрофизическая обсерватория и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Эксперимент отправил водородный мазер - очень точный стандарт частоты - в космос, чтобы с высокой точностью измерить скорость, с которой время проходит в более слабом гравитационное поле. Массы вызывают искажения в пространство-время, что приводит к эффектам сокращение длины и замедление времени, оба предсказали результаты теории Альберта Эйнштейна общая теория относительности. Из-за искривления пространства-времени наблюдатель на Земле (при более низком гравитационном потенциале) должен измерять более медленную скорость, с которой проходит время, чем наблюдатель, находящийся на более высокой высоте (при 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 при равномерном ускорении. Кроме того, принцип эквивалентности предсказывает, что явление разной скорости потока времени, присутствующее в равномерно ускоряющейся системе отсчета, также будет присутствовать в стационарной системе отсчета, которая находится в однородном гравитационном поле.

Зонд был запущен 18 июня 1976 года из Полетного центра NASA-Wallops на острове Уоллопс, штат Вирджиния. Зонд переносился через Ракета-разведчик, и достиг высоты 10 000 км (6200 миль), оставаясь в космосе в течение 1 часа 55 минут, как и предполагалось. Он вернулся на Землю, упав в Атлантический океан.^[4]

Фон

Целью эксперимента Gravity Probe A была проверка справедливости принципа эквивалентности. Принцип эквивалентности - ключевой компонент теории Альберта Эйнштейна. общая теория относительности, и заявляет, что законы физики в ускоряющейся системе отсчета такие же, как и в системе отсчета, на которую действует единая гравитационное поле.

Принцип эквивалентности

Принцип эквивалентности можно понять, сравнив ракетный корабль в двух сценариях. Во-первых, представьте себе ракетный корабль, покоящийся на поверхности Земли; предметы, упавшие в ракетный корабль, упадут на пол с ускорением 9,8 м / с². А теперь представьте далекий ракетный корабль, который избежал гравитационного поля Земли и ускоряется с постоянной скоростью. 9,8 м / с² из-за тяги его ракет; объекты в ракетном корабле, которые не ограничены, будут двигаться к полу с ускорением 9,8 м / с². В этом примере показан один из способов, которым 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 проходит горизонтально через ракетный корабль, который ускоряется. По словам наблюдателя, не обладающего ускорением, вне ракетного корабля, пол ракетного корабля ускоряется в направлении светового луча. Следовательно, по мнению внутреннего наблюдателя, световой луч не движется по горизонтальной траектории, скорее, кажется, что световой луч изгибается к полу. Это пример инерционного эффекта, который заставляет свет искривляться. Принцип эквивалентности гласит, что это инерционное явление также будет происходить в гравитационной системе отсчета. Действительно, феномен гравитационное линзирование утверждает, что материя может искривлять свет, и это явление наблюдалось Телескоп Хаббла, и другие эксперименты.

Замедление времени

Замедление времени относится к расширению или сокращению скорости, с которой проходит время, и было предметом эксперимента Gravity Probe A. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, материя искажает окружающую среду. пространство-время. Это искажение заставляет время течь медленнее вблизи массивного объекта по сравнению со скоростью, наблюдаемой удаленным наблюдателем. В Метрика Шварцшильда, окружающего сферически симметричное гравитирующее тело, имеет меньший коэффициент при ${ displaystyle dt ^ {2}}$ ближе к телу, что означает более медленное течение времени.

Похожая идея возникновения замедления времени есть в теории Эйнштейна. специальная теория относительности (который не включает ни гравитации, ни идеи искривленного пространства-времени). Такое замедление времени проявляется в Координаты Риндлера, прикрепленный к равномерно ускоряющейся частице в плоском пространстве-времени. Такая частица будет наблюдать, как время течет быстрее на той стороне, к которой она ускоряется, и медленнее на противоположной стороне. Из этой очевидной разницы 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, на которую действует сила тяжести. Таким образом, Gravity Probe A был тестом принципа эквивалентности, сопоставляя наблюдения в инерциальной системе отсчета (специальной теории относительности) поверхности Земли, находящейся под действием силы тяжести, с предсказаниями специальной теории относительности для той же системы, рассматриваемой как ускорение вверх относительно точки свободного падения, которая может считаться инерционной и не имеющей силы тяжести.

Экспериментальная установка

В 60 кг Гравитационный зонд Космический корабль разместил атомную водородный мазер система, которая действовала на протяжении всей миссии. Мазер - это аббревиатура от микроволнового усиления за счет вынужденного излучения излучения; он похож на лазер, поскольку производит когерентное излучение. электромагнитные волны в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Водородный мазер выдает очень точный сигнал (1,42 миллиарда циклов в секунду), который очень стабилен - с точностью до одной квадриллиона (10¹⁵). Это эквивалентно часам, которые отклоняются менее чем на две секунды каждые 100 миллионов лет.^[5]

Зонд был запущен почти вертикально вверх, чтобы вызвать сильное изменение гравитационного потенциала, достигнув высоты 10 000 км (6200 миль). На этой высоте общая теория относительности предсказывала, что часы должны проходить 4,5 части за 10¹⁰ быстрее, чем на Земле, или примерно на одну секунду каждые 73 года.^[6] Колебания мазера представляли собой тиканье часов, и путем измерения частоты мазера по мере его изменения высоты были обнаружены эффекты гравитационного замедления времени.

Доплеровский сдвиг

Наряду с водородным мазером в зонд был включен микроволновый ретранслятор для измерения Доплеровский сдвиг мазерного сигнала. Доплеровский сдвиг происходит, когда источник движется относительно наблюдателя этого источника, и приводит к сдвигу частоты, который соответствует направлению и величине относительного движения. Сигнал мазера был доплеровским, поскольку он запускался вертикально с высокой скоростью относительно наземной станции на Земле.

Полученные результаты

Целью эксперимента было измерить скорость, с которой время проходит в более высоком гравитационном потенциале, поэтому для проверки мазер в зонде сравнивали с аналогичным мазером, который остался на Земле.^{[нужна цитата ]} Прежде чем две тактовые частоты можно было сравнить, доплеровский сдвиг был вычтен из тактовой частоты, измеренной мазером, который был отправлен в космос, чтобы исправить относительное движение между наблюдателями на Земле и движение зонда. Затем две тактовые частоты сравнивались и далее сравнивались с теоретическими предсказаниями того, как две тактовые частоты должны отличаться. Стабильность мазера позволила измерить изменение скорости мазера 1 часть из 10¹⁴ для 100-секундного измерения.

Таким образом, эксперимент смог проверить принцип эквивалентности. Гравитационный зонд А подтвердил предсказание, что глубже в гравитационной скважине время течет медленнее,^[7] и наблюдаемые эффекты соответствовали предсказанным эффектам с точностью около 70 частей на миллион.

Смотрите также

дальнейшее чтение

R.F.C. Весот; и другие. (1980). «Испытание релятивистской гравитации на космическом водородном мазере». Письма с физическими проверками. 45 (26): 2081–2084. Bibcode:1980ПхРвЛ..45.2081В. Дои:10.1103 / PhysRevLett.45.2081.
Подтверждение локальной позиционной инвариантности с помощью эксперимента по гравитационному красному смещению

[1] Бенджамин Кроуэлл (2009). Общая теория относительности (PDF). Фуллертон / Калифорния.

[NSSDCA-2] «НАСА - NSSDCA - Космический корабль - Детали телеметрии». nssdc.gsfc.nasa.gov. Получено 13 мая 2020.

[nssdc-3] «НАСА - NSSDCA - Космический корабль - Детали». nssdc.gsfc.nasa.gov. Получено 13 мая 2020.

[4] «Фундаментальная физика космоса - Технические детали - Гравитационный зонд А». НАСА JPL. 2 мая 2009 года. Архивировано с оригинал 18 сентября 2011 г.. Получено 5 мая, 2013.

[5] Миллинер, Джойс Б. (10 июня 1976 г.). "Космический зонд для проверки теории Эйнштейна" искажения пространства-времени ". Архивировано из оригинал 15 мая 2013 г.. Получено 5 мая, 2013.

[posSci-6] Гилмор, КП (декабрь 1979 г.). «Почему спустя 63 года они все еще тестируют Эйнштейна?». Популярная наука. Vol. 215. Bonnier Corporation. п. 12. ISSN 0161-7370. Получено 13 мая 2020.

[7] Тан, Кер (5 мая 2011 г.). «Теории Эйнштейна, подтвержденные гравитационным зондом НАСА». Национальное географическое общество. Получено 5 мая, 2013.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]