Часовници, гравитация и границите на относителността

Лъскав сребърен цилиндричен космически кораб пред синята планета Земя.

Това изображение на европейската космическа лаборатория Колумб е направено от астронавта на ESA Лука Пармитано по време на разходката му в космоса на 9 юли 2013 г. Изображение чрезESA / НАСА.


Чрез ESA

Международната космическа станция ще бъде домакин на най -прецизните часовници, които някога са напускали Земята. Точни до секунда за 300 милиона години, часовниците ще тласнат измерването на времето, за да проверят границите на теорията на относителността и нашето разбиране за гравитацията.


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

Бял кръг, заобиколен от неравна зона от черни лъчи, всички на сив фон.

Отрицателна снимка на слънчевото затъмнение през 1919 г. Изображение чрез Кралското астрономическо дружество.

На 29 май 1919 г. теорията на Айнщайн за първи път е поставена на изпитание когаАртър Едингтън наблюдава светлина, която се „огъва“ около слънцетопо време на слънчево затъмнение. Четиридесет години по -късно,Паунд-Ребка експериментза първи път измерва ефекта на червеното изместване, предизвикан от гравитацията, в лаборатория - но век по -късно учените все още търсят границите на теорията.

Луиджи Качапуоти, Учен от проекта на Агенцията за атомни часовници в космоса (ACES) на ESA, 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. Днешните опити за обединяване на общата теория на относителността и квантовата механика предвиждат нарушения на принципа на еквивалентност на Айнщайн.

Принципът на Айнщайн описва как гравитацията пречи на времето и пространството. Едно от най -интересните му проявления е разширяването на времето поради гравитацията. Този ефект е доказан чрез сравняване на часовници на различни височини, като например в планините, в долините 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 -далеч сте от нашата планета.

Летящ на 400 мили надморска височина на космическата станция, ансамбълът от атомни часовници в космоса ще направи по -прецизни измервания от всякога.

Мъже в лабораторни палта, мрежи за коса и бели ръкавици, държащи голяма метална конструкция.

Часовник ACES. Изображение чрезCNES.


Интернет на часовниците

ACES ще създаде „интернет на часовниците“, свързващ най -точните атомни часовници по целия свят и сравнявайки тяхното отчитане с тези в безтегловната лаборатория на човечеството, докато лети над главата.

Сравняването на времето до стабилност от стотици фемтосекунди - една милионна част от милиардната част от секундата - изисква техники, които изтласкват границите на сегашните технологии. ACES има два начина 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 сигналът за синхронизация се насочи нагоре към космическата станция и когато се върне надолу към Земята.

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


Честотите на лазерните и микровълновите връзки ще помогнат да се разбере как светлинните и радиовълните се разпространяват през тропосферата и йоносферата, като по този начин ще предоставят информация за климата. И накрая, интернетът 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 определяне на времето.

Лъскав цилиндричен космически кораб със златни кутии, прикрепени към черното пространство.

Модул Columbus с ACES. Изображение чрезESA - D. Дукрос.

Луиджи каза:

Следващото поколение атомни часовници и техниките за свързване, които разработваме, един ден биха могли да се използват за наблюдение на самите гравитационни вълни, както е предложено от ESAМисия LISA, но в момента ACES ще ни помогне да тестваме възможно най -добре теорията на Айнщайн за общата теория на относителността, търсейки малки нарушения, които, ако бъдат открити, биха могли да отворят прозорец към нова теория на физиката, която трябва да дойде.

Часовниците са тествани и интегрирани върху полезния товар на ACES, а микровълновата връзка за ACES преминава тестове преди окончателната интеграция с пълния експеримент. ACES ще бъде готов за изстрелване на космическата станция до 2020 г.

В крайна сметка: Теорията на гравитацията на Айнщайн за първи път беше поставена на изпитание, когато Артър Едингтън наблюдаваше как светлината се „огъва“ около слънцето по време на слънчево затъмнение. Век по -късно учените все още търсят границите на теорията.