Hodiny, gravitace a meze relativity

Tento snímek kosmické laboratoře Columbus v Evropě byl pořízen astronautem ESA Luca Parmitano během jeho kosmického letu 9. července 2013. Obrázek přes ESA / NASA.

Prostřednictvím ESA

Mezinárodní vesmírná stanice bude hostit nejpřesnější hodiny, které kdy opouštějí Zemi. Přesně na sekundu za 300 milionů let, hodiny posunou měření času, aby otestovaly meze teorie relativity a našeho chápání gravitace.

Obecná teorie relativity Alberta Einsteina předpovídala, že gravitace a rychlost ovlivňují čas; čím rychleji cestujete, tím více času se zpomaluje, ale také čím více gravitace tahá na vás, tím více času se zpomaluje.

Negativní fotografie zatmění Slunce z roku 1919. Obrázek přes Královskou astronomickou společnost.

29. května 1919 byla Einsteinova teorie poprvé vyzkoušena, když Arthur Eddington pozoroval během zatmění slunce kolem Slunce ohýbání. O čtyřicet let později experiment Pound-Rebka nejprve změřil efekt červeného posunu vyvolaný gravitací v laboratoři, ale o století později vědci stále hledají hranice teorie.

Luigi Cacciapuoti, projektový vědec ESA Atomic Clock Ensemble in Space (ACES), vysvětlil:

Teorie relativity popisuje náš vesmír ve velkém měřítku, ale na hranici s nekonečně malým měřítkem teorie neubírá a zůstává v rozporu s kvantovou mechanikou. Dnešní pokusy o sjednocení obecné relativity a kvantové mechaniky předpovídají porušení Einsteinova principu ekvivalence.

Einsteinův princip podrobně popisuje, jak gravitace narušuje čas a prostor. Jedním z nejzajímavějších projevů je dilatace času kvůli gravitaci. Tento účinek byl prokázán porovnáním hodin v různých nadmořských výškách, jako jsou hory, údolí a vesmír. Hodiny ve vyšších nadmořských výškách ukazují, že čas plyne rychleji s ohledem na hodiny na zemském povrchu, protože ze Země je menší gravitace, čím dál jste od naší planety.

Atomové hodiny ve vesmíru budou létat ve výšce 250 km (400 km) na vesmírné stanici a budou provádět přesnější měření než kdykoli předtím.

Hodiny ACES. Obrázek přes CNES.

Internet hodin

ACES vytvoří „internet hodin“, který spojí nejpřesnější atomové hodinky na celém světě a porovná jejich časomíry s těmi v beztížné laboratoři lidstva, když letí nad hlavou.

Porovnání času do stability stovek femtosekund - jedna miliontina miliardtiny sekundy - vyžaduje techniky, které posouvají hranice současné technologie. ACES má dva způsoby, jak mohou hodiny přenášet svá data, mikrovlnnou linku a optickou linku. Obě spojení si vyměňují obousměrné časovací signály mezi pozemními stanicemi a kosmickým terminálem, když časovací signál směřuje vzhůru k vesmírné stanici a když se vrací na Zemi.

Nebývalá přesnost, kterou toto nastavení nabízí, přináší do experimentu ACES nějaké pěkné bonusy. Hodiny na zemi budou mezi sebou porovnány a poskytnou lokální měření geopotenciálních rozdílů, pomohou vědcům studovat naši planetu a její gravitaci.

Frekvence laserových a mikrovlnných spojů pomohou pochopit, jak se světelné a rádiové vlny šíří troposférou a ionosférou, a tak poskytují informace o klimatu. Konečně internet hodin umožní vědcům distribuovat čas a synchronizovat své hodiny po celém světě pro rozsáhlé experimenty na Zemi a pro další aplikace, které vyžadují přesné načasování.

Modul Columbus s ACES. Obrázek přes ESA – D. Ducros.

Luigi řekl:

Příští generaci atomových hodin a technik spojování, které vyvíjíme, bychom mohli jednoho dne použít k pozorování samotných gravitačních vln jako mise navržené agenturou LISA v ESA, ale právě teď nám ACES pomůže testovat, jak nejlépe umíme Einsteinovu teorii obecné relativity, hledáním drobná porušení, která, pokud budou nalezena, by mohla otevřít okno nové teorii fyziky, která musí přijít.

Hodiny byly testovány a integrovány do užitečného zatížení ACES a mikrovlnná spojka pro ACES prochází testy před konečnou integrací s úplným experimentem. ACES bude připravena ke spuštění do kosmické stanice do roku 2020.

Sečteno a podtrženo: Einsteinova teorie gravitace byla poprvé podrobena zkoušce, když Arthur Eddington během zatmění Slunce pozoroval „ohýbání“ světla kolem Slunce. O století později vědci stále hledají hranice teorie.