Gravitációs idődilatáció

A gravitációs idődilatáció az idődilatáció egyik  formája , a két esemény között eltelt idő tényleges különbsége, amelyet a gravitációs tömegtől eltérő távolságra lévő megfigyelők mérnek. Minél kisebb a gravitációs potenciál (minél közelebb van az óra a gravitációs forráshoz), annál lassabban telik az idő, ami a gravitációs potenciál növekedésével gyorsul (az óra eltávolodik a gravitációs forrástól). Albert Einstein eredetileg megjósolta ezt a hatást a relativitáselméletében, és azóta az általános relativitáselmélet tesztjei is megerősítették . [egy]

Kimutatták, hogy a különböző magasságokban (és ezért különböző gravitációs potenciállal rendelkező pontokon) lévő atomórák eltérő időt fognak mutatni. Az ilyen földi kísérletekben tapasztalható hatások rendkívül kicsik, és a különbségeket nanoszekundumban mérik . A Föld 4,54 milliárd éves korához képest a Föld magja valójában 2,5 évvel fiatalabb, mint a felszíne. [2] A nagy hatások kimutatásához nagyobb távolságra lenne szükség a Földtől vagy nagyobb gravitációs forrásra.

A gravitációs idődilatációt először Albert Einstein írta le 1907-ben [3] a speciális relativitáselmélet következményeként gyorsított vonatkoztatási rendszerekben. Az általános relativitáselméletben a metrikus tér-idő tenzor által leírt különbséget tekintik a megfelelő idő különböző pozíciókban való elhaladása között . A gravitációs idődilatáció létezését először Pound és Rebka kísérlete erősítette meg közvetlenül 1959-ben.

Ha az általános relativitáselmélet képleteit használjuk a jel energiájának és frekvenciájának változásának kiszámításához (feltéve, hogy figyelmen kívül hagyjuk a pályától való függés hatásait, amelyet például egy forgó fekete lyuk körüli tér elhúzása okoz ), a gravitációs vöröseltolódás pontosan az ibolya eltolódás ellentéte. Így a megfigyelt frekvenciaváltozás megfelel az órajel sebességének relatív különbségének a vételi és adási pontokon.

Míg a gravitációs vöröseltolódás a megfigyelt hatást méri, addig a gravitációs idődilatáció elmondja, mire lehet következtetni a megfigyelés eredményeiből. Más szóval: egyetlen piros/lila eltolódást mérve bármilyen jelküldési módnál „onnan” - „innen”, arra a következtetésre jutunk, hogy ugyanaz az óra, mint a miénk , „valahogy rosszul megy ”, gyorsabban vagy lassabban. .

Statikus gravitációs tér esetén a gravitációs vöröseltolódás teljes mértékben megmagyarázható a különböző gravitációs potenciállal rendelkező pontok idősebességének különbségével. Idézzük Wolfgang Paulit: „Statikus gravitációs tér esetén mindig meg lehet választani az időkoordinátát úgy, hogy a g ik mennyiségek ne függjenek tőle. Ekkor a két P1 és P2 pont közötti fénysugár hullámszáma is független lesz az időtől, így a sugárban lévő fény frekvenciája egy adott időskálában mérve P1 és P2 pontokon azonos lesz. és így független a megfigyelés helyétől.

A modern metrológia szerint azonban az időt lokálisan határozzák meg a megfigyelő tetszőleges világvonalára (adott esetben ugyanarra a térbeli pontra az idő függvényében) azonos atomórákon keresztül (lásd a második definícióját ). Az idő ilyen definíciója mellett az óra sebessége szigorúan meghatározott és soronként (pontról pontra) eltérő lesz, aminek következtében a meglévő frekvenciakülönbség például a Pound-Rebka kísérletben, ill. a Nap vagy a neutroncsillagok felszínéről kibocsátott spektrumvonalak vöröseltolódása a kibocsátási és vételi pontok közötti (szabványos atomórákkal mért) fizikai idő sebességének különbségében keresi a magyarázatát. Valójában, mivel a fénysebesség állandó értéknek számít, a hullámhossz merev kapcsolatban van a frekvenciával , így a hullámhossz változtatása egyenértékű a frekvencia változtatásával és fordítva.

Ha például egy ponton gömb alakú fényvillanásokat bocsátanak ki, akkor a gravitációs mezővel rendelkező tartomány bármely pontján a felvillanások közötti koordináta „idő” intervallumok azonosakká tehetők - az időkoordináta megfelelő megválasztásával . A mért időintervallum valós változását a szabványos azonos óra sebességének különbsége határozza meg a világ kibocsátási és vételi vonalai között. Ugyanakkor statikus esetben teljesen mindegy, hogy pontosan milyen módon továbbítják a jeleket: fényvillanások, elektromágneses hullámok, hangjelzések, golyók vagy postai küldemények – minden átviteli mód pontosan ugyanazt a "vörös / lila váltás" [4] .

Nem stacionárius esetben általában lehetetlen pontosan és invariánsan elválasztani a „gravitációs” elmozdulást a „Doppler” elmozdulástól, mint például az Univerzum tágulásakor . Ezek a hatások azonos természetűek, és az általános relativitáselmélet egyetlen módon írja le őket. Az elektromágneses sugárzás vöröseltolódási jelenségének bizonyos komplikációi akkor merülnek fel, ha figyelembe vesszük a sugárzás nem triviális terjedését a gravitációs térben (a geometria dinamikus változásának hatásai, a geometriai optikától való eltérések , a gravitációs lencse megléte , gravimagnetizmus , térellenállás , és így tovább, amelyek az elmozdulás értékét a fény terjedési pályájától teszik függővé) , de ezek a finomságok nem árnyékolhatják be az eredeti egyszerű elképzelést: az óra sebessége a térben és időben elfoglalt helyzetétől függ.

A newtoni mechanikában a gravitációs vöröseltolódás magyarázata alapvetően lehetséges - ismét a gravitációs potenciál órára gyakorolt ​​hatásának bevezetésén keresztül, de ez fogalmi szempontból nagyon nehéz és átláthatatlan. A vöröseltolódásnak, mint a fény kinetikus energiájának potenciális energiává való átmenetének elterjedt módszere már a relativitáselméletre apellál, és nem tekinthető helyesnek [5] . Einstein gravitációs elméletében a vöröseltolódást magával a gravitációs potenciállal magyarázzák: ez nem más, mint a fizikai idő ütemének relativitásához kapcsolódó tér-idő geometria megnyilvánulása.

Mérések

A gravitációs vöröseltolódást megpróbálták mérni[ mikor? ] egy precíz órapárral, amelyek legalább 30 cm-es távolságra vannak egymástól, de a szinkronizálási nehézségek és a megbízható pontosság hiánya megakadályozta, hogy az elméletet az eredmény nagy biztonsággal megerősítse.

2022-ben a JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics, USA) tudósai stroncium atomok százezreit hasították fel "palacsinta alakú" 30 atomos cseppekre. Az ilyen „palacsintákból” speciális optikai módszerrel 1 mm magas függőleges köteget állítottak össze. Az így kapott köteget lézerrel besugároztuk, a szórt fényt pedig nagysebességű kamerával mértük. Mivel az atomok függőlegesen helyezkedtek el, a Föld gravitációja hatására az egyes csoportokban eltérő mértékben tolódott el az oszcillációs frekvencia, és különbséget találtak a „rakás” tetejének és az alsónak az ideje között. Kiderült, hogy a felső részben az idő 10-19 másodperc törtrészével elmaradt a legalacsonyabbtól . [6] [7]

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Einstein, A. Relativitáselmélet: Albert  Einstein speciális és általános elmélete . – Gutenberg projekt , 2004.
  2. ↑ Uggerhøj, UI; Mikkelsen, RE; Faye, J. The young center of the Earth  (angol)  // European Journal of Physics  : folyóirat. - 2016. - Kt. 37 , sz. 3 . — P. 035602 . - doi : 10.1088/0143-0807/37/3/035602 . - Iránykód . — arXiv : 1604.05507 .
  3. ↑ A. Einstein, "Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen", Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik 4, 411-462 (1907); angol fordítás, "A relativitás elvéről és az abból levont következtetésekről", "The Collected Papers", v.2, 433-484 (1989); szintén HM Schwartzban, "Einstein átfogó, 1907-es relativitáselméleti esszéje, I. rész", American Journal of Physics vol.45, no.6 (1977) 512-517. II. rész: American Journal of Physics, 45. kötet, 9. szám (1977), 811-817. III. rész: American Journal of Physics vol.45, no.10 (1977), 899-902. oldal, lásd I., II. és III. részt. Archiválva : 2020. november 28., a Wayback Machine -nél .
  4. ↑ Marie Antoinette Tonela. „Frekvenciák az általános relativitáselméletben. Elméleti meghatározások és kísérleti igazolások.» // Einstein gyűjteménye 1967 / Szerk. szerk. I. E. Tamm és G. I. Naan. — M.: Nauka, 1967. — S. 175−214.
  5. ↑ Okun L. B., Selivanov K. G., Telegdi V. L. „Gravitáció, fotonok, órák”. UFN , 1999, 169. kötet, 10. szám, 1. o. 1141-1147.
  6. ↑ Igaza volt Einsteinnek: az idődilatációt a legpontosabb atomórán mérték
  7. ↑ A fizikusok milliméter pontossággal mérik az idő gravitációs görbületét Archiválva : 2022. február 18. a Wayback Machine -nél

Linkek