Dilatarea timpului gravitațional

Dilatarea gravitațională a timpului  este o formă de dilatare a timpului , diferența reală în timpul scurs între două evenimente măsurată de observatori la distanțe diferite de masa gravitațională. Cu cât este mai mic potențialul gravitațional (cu cât ceasul este mai aproape de sursa gravitației), cu atât timpul curge mai lent, accelerând cu creșterea potențialului gravitațional (ceasul se îndepărtează de sursa gravitației). Albert Einstein a prezis inițial acest efect în teoria sa a relativității și de atunci a fost confirmat de teste de relativitate generală . [unu]

S-a demonstrat că ceasurile atomice la altitudini diferite (și, prin urmare, în puncte cu potențiale gravitaționale diferite) vor arăta timpi diferite. Efectele găsite în astfel de experimente la sol sunt extrem de mici, iar diferențele sunt măsurate în nanosecunde . Față de vârsta Pământului de 4,54 miliarde de ani, nucleul Pământului este de fapt cu 2,5 ani mai tânăr decât suprafața sa. [2] Demonstrarea efectelor mari ar necesita distanțe mai mari de Pământ sau o sursă gravitațională mai mare.

Dilatarea gravitațională a timpului a fost descrisă pentru prima dată de Albert Einstein în 1907 [3] ca o consecință a teoriei relativității speciale în cadrele de referință accelerate. În relativitatea generală, se consideră diferența în trecerea timpului propriu în diferite poziții, descrisă de tensorul metric spațiu-timp . Existența dilatației gravitaționale a timpului a fost confirmată pentru prima dată direct de un experiment realizat de Pound și Rebka în 1959.

Atunci când se utilizează formulele relativității generale pentru a calcula modificarea energiei și frecvenței unui semnal (cu condiția să neglijăm efectele dependenței de traiectorie, cauzate, de exemplu, de tragerea spațiului în jurul unei găuri negre rotative ), deplasarea gravitațională spre roșu este exact opusul deplasării violete. Astfel, modificarea observată a frecvenței corespunde diferenței relative de viteză a ceasului în punctele de recepție și transmisie.

În timp ce deplasarea gravitațională spre roșu măsoară efectul observat, dilatarea timpului gravitațional spune ce poate fi dedus din rezultatele observației. Adică, cu alte cuvinte: măsurând o singură schimbare roșu/violet pentru orice metodă de a trimite semnale „de acolo” - „aici”, ajungem la concluzia că același ceas ca al nostru merge „cumva greșit”, mai rapid sau mai lent. .

Pentru un câmp gravitațional static , deplasarea gravitațională spre roșu poate fi pe deplin explicată prin diferența de viteză a timpului în puncte cu potențiale gravitaționale diferite. Să-l cităm pe Wolfgang Pauli: „În cazul unui câmp gravitațional static, se poate alege oricând coordonata timpului în așa fel încât mărimile g ik să nu depindă de aceasta. Atunci numărul de unde ale fasciculului de lumină dintre cele două puncte P1 și P2 va fi, de asemenea, independent de timp și, prin urmare, frecvența luminii din fascicul, măsurată într-o scară de timp dată, va fi aceeași la P1 și P2. și, astfel, independent de locul de observație.

Cu toate acestea, conform metrologiei moderne , timpul este determinat local pentru o linie de lume arbitrară a observatorului (în cazul particular, pentru același punct din spațiu de-a lungul timpului) prin ceasuri atomice identice (vezi definiția celui de-al doilea ). Cu o astfel de definiție a timpului, rata ceasului este strict specificată și va diferi de la linie la linie (de la un punct la altul), drept urmare diferența de frecvență existentă, de exemplu, în experimentul Pound-Rebka, sau deplasarea la roșu a liniilor spectrale emise de la suprafața Soarelui sau a stelelor neutronice, își găsește explicația în diferența de rată a timpului fizic (măsurată cu ceasurile atomice standard) dintre punctele de emisie și recepție. De fapt, deoarece viteza luminii este considerată o valoare constantă, lungimea de undă este legată rigid de frecvență , astfel încât modificarea lungimii de undă este echivalentă cu schimbarea frecvenței și invers.

Dacă, de exemplu, fulgerele sferice de lumină sunt emise la un moment dat, atunci în orice loc din regiunea cu un câmp gravitațional, intervalele de „timp” de coordonate dintre fulgere pot fi la fel - prin alegerea adecvată a coordonatei de timp . Schimbarea reală a intervalului de timp măsurat este determinată de diferența de rată a ceasului identic standard între liniile mondiale de emisie și recepție. În același timp, în cazul static, este absolut lipsit de importanță prin ce anume sunt transmise semnalele: fulgerări luminoase, cocoașe de unde electromagnetice, semnale acustice, gloanțe sau colete prin poștă - toate metodele de transmisie vor experimenta exact același „roșu/ deplasare violet” [4] .

În cazul non-staționar, în general, este imposibil să se separe deplasarea „gravitațională” de deplasarea „Doppler” într-un mod exact și invariant, ca, de exemplu, în cazul expansiunii Universului . Aceste efecte sunt de aceeași natură și sunt descrise de teoria generală a relativității într-un singur mod. O anumită complicație a fenomenului de deplasare spre roșu pentru radiația electromagnetică apare atunci când se ține cont de propagarea netrivială a radiației într-un câmp gravitațional (efectele unei modificări dinamice a geometriei, abaterile de la optica geometrică , existența lentilei gravitaționale , gravimagnetismul , rezistența spațială ). , și așa mai departe, care fac ca valoarea deplasării să depindă de traiectoria de propagare a luminii) , dar aceste subtilități nu ar trebui să umbrească ideea simplă inițială: viteza ceasului depinde de poziția sa în spațiu și timp.

În mecanica newtoniană, o explicație a deplasării gravitaționale spre roșu este fundamental posibilă - din nou prin introducerea influenței potențialului gravitațional asupra ceasului, dar acest lucru este foarte dificil și opac din punct de vedere conceptual. Metoda comună de derivare a deplasării spre roșu ca tranziție a energiei cinetice a luminii în energie potențială în baza însăși face apel la teoria relativității și nu poate fi considerată corectă [5] . În teoria gravitației a lui Einstein, deplasarea spre roșu este explicată prin potențialul gravitațional însuși: nu este altceva decât o manifestare a geometriei spațiu-timp asociată cu relativitatea ritmului timpului fizic.

Măsurători

Deplasarea gravitațională spre roșu a încercat să măsoare[ când? ] folosind o pereche de ceasuri precise distanțate la cel puțin 30 cm unul de celălalt, dar dificultățile de sincronizare și lipsa de acuratețe sigură au împiedicat teoria să fie confirmată cu un grad ridicat de încredere în rezultat.

În 2022, oamenii de știință JILA (Institutul Comun pentru Laboratorul de Astrofizică, SUA) au împărțit sute de mii de atomi de stronțiu în picături „în formă de clătită” de 30 de atomi. Cu ajutorul unei metode optice speciale, din astfel de „clătite” a fost asamblată o stivă verticală de 1 mm înălțime. Stiva rezultată a fost iradiată cu un laser și lumina împrăștiată măsurată cu o cameră de mare viteză. Deoarece atomii erau aranjați vertical, gravitația Pământului a făcut ca frecvența de oscilație din fiecare grup să se schimbe cu o valoare diferită și s-a găsit o diferență între timpul de sus a „stivei” și cel de jos. S-a dovedit că în partea superioară timpul a rămas în urmă cu cel mai mic cu 10 -19 fracțiuni de secundă. [6] [7]

Vezi și

Note

  1. ↑ Einstein, A. Relativity: the Special and General Theory de Albert  Einstein . — Proiectul Gutenberg , 2004.
  2. ↑ Uggerhøj, UI; Mikkelsen, RE; Faye, J. Centrul tânăr al Pământului  (engleză)  // European Journal of Physics  : journal. - 2016. - Vol. 37 , nr. 3 . — P. 035602 . - doi : 10.1088/0143-0807/37/3/035602 . - Cod biblic . — arXiv : 1604,05507 .
  3. ↑ A. Einstein, „Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen”, Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik 4, 411-462 (1907); Traducere engleză, în „Despre principiul relativității și concluziile trase din acesta”, în „The Collected Papers”, v.2, 433-484 (1989); de asemenea, în HM Schwartz, „Einstein’s comprehensive 1907 essay on relativity, part I”, American Journal of Physics vol.45, nr.6 (1977) pp.512-517; Partea a II-a în American Journal of Physics vol.45 nr.9 (1977), pp.811-817; Partea III în American Journal of Physics vol.45 nr.10 (1977), pp.899-902, vezi Părțile I, II și III Arhivat 28 noiembrie 2020 la Wayback Machine .
  4. ↑ Marie Antoinette Tonela. „Frecvențele în teoria generală a relativității. Definiții teoretice și verificări experimentale.» // Colecția lui Einstein 1967 / Ed. ed. I. E. Tamm și G. I. Naan. — M.: Nauka, 1967. — S. 175−214.
  5. ↑ Okun L. B., Selivanov K. G., Telegdi V. L. „Gravitate, fotoni, ceasuri”. UFN , 1999, volumul 169, nr.10, p. 1141-1147.
  6. ↑ Einstein a avut dreptate: dilatarea timpului a fost măsurată pe cel mai precis ceas atomic Arhivat 18 februarie 2022 la Wayback Machine // 17.02.2022
  7. ↑ Fizicienii măsoară curbura gravitațională a timpului la cel mai apropiat milimetru Arhivat 18 februarie 2022 la Wayback Machine

Link -uri