Часовници, гравитация и граници на относителността

Това изображение на космическата лаборатория в Колумб на Европа е взето от космонавта на ESA Лука Пармитано по време на космическата му разходка на 9 юли 2013 г. Изображение чрез ESA / NASA.

Чрез ESA

Международната космическа станция ще приюти най-прецизните часовници, напускащи Земята. Точни за секунда след 300 милиона години, часовниците ще натиснат измерването на времето, за да тестват границите на теорията на относителността и нашето разбиране за гравитацията.

Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн предвижда, че гравитацията и скоростта влияят на времето; колкото по-бързо пътувате, толкова повече време се забавя, но и колкото повече гравитация се дърпа върху вас, толкова повече време се забавя.

Отрицателна снимка от слънчевото затъмнение от 1919 г. Изображение чрез Royal Astronomical Society.

На 29 май 1919 г. теорията на Айнщайн за първи път е подложена на изпитание, когато Артър Едингтън наблюдава светлината се огъва около слънцето по време на слънчево затъмнение. Четиридесет години по-късно експериментът Паунд-Ребка за първи път измерва ефекта на червено изместване, индуциран от гравитацията, в лаборатория, но век по-късно учените все още търсят границите на теорията.

Луиджи Cacciapuoti, учен от проекта на Американския ансамбъл за атомни часовници в космоса (ACES), обясни:

Теорията на относителността описва нашата вселена в голям мащаб, но на границата с безкрайно малкия мащаб теорията не се променя и остава несъвместима с квантовата механика. Днес опитите за обединяване на общата относителност и квантовата механика предсказват нарушения на принципа на еквивалентност на Айнщайн.

Принципът на Einstein s подробно описва как гравитацията пречи на времето и пространството. Едно от най-интересните му проявления е дилатацията във времето поради гравитацията. Този ефект е доказан чрез сравняване на часовници на различна височина, като например на планини, долини и в космоса. Часовниците на по-голяма надморска височина показват, че времето минава по-бързо по отношение на часовник на земната повърхност, тъй като има по-малко гравитация от Земята, колкото по-далече сте от нашата планета.

Летящ на 250 мили надморска височина на Космическата станция, Ансамбълът на атомните часовници в Космоса ще направи по-точни измервания от всякога.

ACES часовник. Изображение чрез CNES.

Интернет на часовници

ACES ще създаде „интернет на часовниците“, свързвайки най-точните атомни часовници по света и ще сравнява техния часовник с тези в безтегловната лаборатория на човечеството, докато лети над главата.

Сравняването на времето до стабилност от стотици фемтосекунди - една милионна част от милиардна част от секундата - изисква техники, които прокарват границите на съвременните технологии. ACES има два начина за часовниците да предават своите данни, микровълнова връзка и оптична връзка. И двете връзки обменят двупосочни сигнали за синхронизация между наземните станции и космическия терминал, когато синхронизиращият сигнал се насочи нагоре към космическата станция и когато се върне надолу към Земята.

Безпрецедентната точност, която тази настройка предлага, носи някои приятни бонуси към експеримента ACES. Часовниците на земята ще се сравняват помежду си, осигурявайки локални измервания на геопотенциалните различия, помагайки на учените да изучават нашата планета и нейната гравитация.

Честотите на лазерните и микровълновите връзки ще помогнат да се разбере как светлината и радиовълните се разпространяват през тропосферата и йоносферата, като по този начин ще предоставят информация за климата. И накрая, интернет на часовниците ще позволи на учените да разпределят времето и да синхронизират часовниците си по целия свят за мащабни експерименти, базирани на Земята, и за други приложения, които изискват точно време.

Колумб модул с ACES. Изображение чрез ESA – D. Ducros.

Луиджи каза:

Следващото поколение атомни часовници и техники за свързване, които разработваме, един ден могат да бъдат използвани за наблюдение на самите гравитационни вълни като предложената от ESA мисия LISA, но точно сега ACES ще ни помогне да тестваме възможно най-добре теорията на общата относителност на Айнщайн, търсейки малки нарушения, които, ако бъдат открити, могат да отворят прозорец за нова теория на физиката, която трябва да дойде.

Часовниците са тествани и интегрирани на полезния товар на ACES, а връзката на микровълновата за ACES преминава тестове преди окончателното интегриране с пълния експеримент. ACES ще бъдат готови за изстрелване в космическата станция до 2020 г.

Долен ред: Теорията на Айнщайн за гравитацията е поставена за първи път на изпитание, когато Артър Едингтън наблюдава светлина „огъване“ около слънцето по време на слънчево затъмнение. Век по-късно учените все още търсят границите на теорията.