Kellad, gravitatsioon ja suhtelisuse piirid

Selle pildi Euroopast Columbuse kosmoselaborist tegi ESA astronaut Luca Parmitano oma kosmoseteel 9. juulil 2013. Pilt ESA / NASA kaudu.

ESA kaudu

Rahvusvaheline kosmosejaam võtab vastu kõige täpsemad kellad, mis kunagi Maalt lahkunud. Täpsusega sekundiga 300 miljoni aasta jooksul lükkavad kellad aja mõõtmisele, et testida relatiivsusteooria piire ja meie arusaamu gravitatsioonist.

Albert Einsteini üldrelatiivsusteooria ennustas, et gravitatsioon ja kiirus mõjutavad aega; mida kiiremini sõidate, seda aeg edasi, seda aeglasemalt, seda enam ka raskusjõud teid tõmbab, seda aeglasemalt aeglustub.

Negatiivne foto 1919. aasta päikesevarjutusest. Pilt kuningliku astronoomiaühingu kaudu.

29. mail 1919 pandi Einsteini teooria esmakordselt proovile, kui Arthur Eddington vaatas päikesevarjutuse ajal päikese ümber valgust bending . Nelikümmend aastat hiljem mõõtis Pound-Rebka katse laboratooriumis kõigepealt gravitatsiooni põhjustatud punanihke efekti, kuid sajand hiljem otsivad teadlased endiselt teooria piire.

ESA a kosmose aatomkellade ansambli (ACES) projekti teadlane Luigi Cacciapuoti selgitas:

Relatiivsusteooria kirjeldab meie universumit suures plaanis, kuid piirides lõpmatuseni väikese mõõtkavaga teooria ei hiilga ja jääb kvantmehaanikaga vastuollu. Täna ennustavad üldrelatiivsusteooria ja kvantmehaanika ühendamise katsed Einsteini ekvivalentsuspõhimõtte rikkumisi.

Einsteini põhimõte täpsustab, kuidas gravitatsioon häirib aega ja ruumi. Selle üks huvitavamaid ilminguid on aja laienemine gravitatsiooni tõttu. Seda efekti on tõestatud erinevate kõrgustel, näiteks mägedes, orgudes ja kosmoses asuvate kellade võrdlemisel. Suurematel kõrgustel olevad kellad näitavad, et aeg möödub Maa pinnal oleva kella suhtes kiiremini, kuna Maast on vähem gravitatsiooni, seda kaugemal olete meie planeedilt.

Kosmosejaamas 250 miili (400 km) kõrgusel lennates teeb kosmoses olev aatomkellade ansambel täpsemaid mõõtmisi kui kunagi varem.

ACES kell. Pilt CNES-i kaudu.

Kellade Internet

ACES loob “kellade interneti”, mis ühendab kõige täpsemad aatomkellade mõõturid kogu maailmas ja võrdleb nende ajaarvestust inimkonna kaalutu laboratooriumi ajaga, kui see üle pea lendab.

Aja võrdlemisel sadade femtosekundite stabiilsusega - miljondikku sekundist sekundiga - on vaja tehnikat, mis tõukaks praeguse tehnoloogia piire. ACES on kellade andmete edastamiseks kahel viisil, mikrolaine link ja optiline link. Mõlemad ühendused vahetavad kahesuunalisi ajasignaale maapealsete jaamade ja kosmoseterminali vahel, kui ajasignaal suundub kosmosejaama ülespoole ja kui see naaseb Maale.

Pretsedenditu täpsus, mida see häälestus pakub, toob ACES-i katsele mõned toredad boonused. Maapinnal olevad kellad võrreldavad omavahel geopotentsiaalsete erinevuste lokaalseid mõõtmisi, aidates teadlastel uurida meie planeeti ja selle gravitatsiooni.

Laseri ja mikrolaineühenduste sagedused aitavad mõista, kuidas valguse ja raadiolained levivad läbi troposfääri ja ionosfääri, pakkudes seeläbi teavet kliima kohta. Lõpuks võimaldab kellade Internet teadlastel aega jaotada ja sünkroonida oma kellasid kogu maailmas maapõhisteks katsetusteks ja muudeks täpsemat ajakava nõudvate rakenduste jaoks.

Columbuse moodul ACES-iga. Pilt ESA-D kaudu. Ducros.

Luigi ütles:

Järgmise põlvkonna aatomkellasid ja meie väljatöötatavaid sidustehnikaid võiks ühel päeval kasutada ESA pakutud LISA missiooni gravitatsioonilainete enda jälgimiseks, kuid praegu aitab ACES meil võimalikult hästi testida Einsteini üldrelatiivsusteooriat, otsides pisikesed rikkumised, mis avastamise korral võivad avada akna uuele füüsika teooriale, mis peab tulema.

Kellad on testitud ja integreeritud ACESi kasulikule koormusele ning ACESi mikrolaineühendus katsetatakse enne lõplikku integreerimist kogu katsega. ACES on kosmosejaama käivitamiseks valmis 2020. aastaks.

Alumine rida: Einsteini gravitatsiooniteooria pandi esmakordselt proovile, kui Arthur Eddington täheldas päikesevarjutuse ajal päikese ümber paistvat valgust. Sajand hiljem otsivad teadlased endiselt teooria piire.