Gravitační dilatace času

Gravitační dilatace času  je forma dilatace času , skutečný rozdíl v uplynulém čase mezi dvěma událostmi měřený pozorovateli v různých vzdálenostech od gravitující hmoty. Čím nižší je gravitační potenciál (čím blíže jsou hodiny ke zdroji gravitace), tím pomaleji plyne čas, zrychluje se s rostoucím gravitačním potenciálem (hodiny se vzdalují od zdroje gravitace). Albert Einstein původně předpověděl tento efekt ve své teorii relativity a od té doby byl potvrzen testy obecné relativity . [jeden]

Bylo prokázáno, že atomové hodiny v různých nadmořských výškách (a tedy v bodech s různým gravitačním potenciálem) budou ukazovat různé časy. Účinky zjištěné v takových pozemních experimentech jsou extrémně malé a rozdíly se měří v nanosekundách . V poměru ke stáří Země 4,54 miliardy let je zemské jádro ve skutečnosti o 2,5 roku mladší než její povrch. [2] Prokázání velkých efektů by vyžadovalo větší vzdálenosti od Země nebo větší gravitační zdroj.

Gravitační dilataci času poprvé popsal Albert Einstein v roce 1907 [3] jako důsledek speciální teorie relativity ve zrychlených vztažných soustavách. V obecné relativitě, to je považováno za rozdíl v průchodu pořádného času v různých pozicích, popsaný metrickým časoprostorovým tenzorem . Existence gravitační dilatace času byla poprvé potvrzena přímo experimentem Pounda a Rebky v roce 1959.

Při použití vzorců obecné relativity pro výpočet změny energie a frekvence signálu (za předpokladu, že zanedbáme vliv závislosti na trajektorii, způsobené např. tažením prostoru kolem rotující černé díry ), je gravitační rudý posuv přesný opak fialového posunu. Pozorovaná změna frekvence tedy odpovídá relativnímu rozdílu v rychlosti hodin v bodech příjmu a vysílání.

Zatímco gravitační rudý posuv měří pozorovaný efekt, gravitační dilatace času říká, co lze z výsledků pozorování odvodit. Jinými slovy: měřením jediného červeného / fialového posunu pro jakoukoli metodu vysílání signálů „odtud“ - „tady“ dojdeme k závěru, že stejné hodiny jako ty naše jdou „nějak špatně“, rychleji nebo pomaleji. .

Pro statické gravitační pole lze gravitační červený posuv plně vysvětlit rozdílem v rychlosti času v bodech s různými gravitačními potenciály. Citujme Wolfganga Pauliho: „V případě statického gravitačního pole lze vždy volit časovou souřadnici tak, aby na ní nezávisely veličiny g ik . Potom bude počet vln světelného paprsku mezi dvěma body P1 a P2 také nezávislý na čase, a proto bude frekvence světla v paprsku, měřená v daném časovém měřítku, stejná v P1 a P2. a tedy nezávisle na místě pozorování.

Podle moderní metrologie je však čas určován lokálně pro libovolnou světovou čáru pozorovatele (v konkrétním případě pro stejný bod v prostoru v čase) pomocí identických atomových hodin (viz definice druhého ). Při takové definici času je rychlost hodin striktně specifikována a bude se lišit řádek od řádku (od bodu k bodu), v důsledku čehož stávající frekvenční rozdíl např. v experimentu Pound-Rebka, popř. červený posun spektrálních čar vyzařovaných z povrchu Slunce nebo neutronových hvězd, nachází své vysvětlení v rozdílu v rychlosti fyzikálního času (měřeno standardními atomovými hodinami) mezi body emise a příjmu. Ve skutečnosti, protože rychlost světla je považována za konstantní hodnotu, vlnová délka je pevně spojena s frekvencí , takže změna vlnové délky je ekvivalentní změně frekvence a naopak.

Pokud jsou například v určitém bodě vyzařovány kulové záblesky světla, pak v libovolném místě v oblasti s gravitačním polem mohou být souřadnicové „časové“ intervaly mezi záblesky stejné - vhodnou volbou časové souřadnice . Skutečná změna měřeného časového intervalu je určena rozdílem rychlosti standardních identických hodin mezi světovými liniemi vysílání a příjmu. Přitom ve statickém případě je naprosto jedno, čím přesně jsou signály přenášeny: světelnými záblesky, hrboly elektromagnetických vln, akustickými signály, kulkami nebo balíky poštou - všechny způsoby přenosu zažijí přesně stejné "červené / fialový posun“ [4] .

V nestacionárním případě obecně nelze exaktně a neměnně oddělit „gravitační“ posunutí od „dopplerovského“ posunu, jako je tomu například v případě rozpínání Vesmíru . Tyto efekty jsou stejné povahy a obecná teorie relativity je popisuje jediným způsobem. Určitá komplikace jevu rudého posuvu pro elektromagnetické záření nastává při zohlednění netriviálního šíření záření v gravitačním poli (efekty dynamické změny geometrie, odchylky od geometrické optiky , existence gravitačních čoček , gravimagnetismus , vesmírný odpor , a tak dále, které činí hodnotu posunutí závislou na trajektorii šíření světla), ale tyto jemnosti by neměly zastínit původní jednoduchou myšlenku: rychlost hodin závisí na jejich poloze v prostoru a čase.

V newtonovské mechanice je vysvětlení gravitačního rudého posuvu zásadně možné – opět zavedením vlivu gravitačního potenciálu na hodiny, ale to je z koncepčního hlediska velmi obtížné a neprůhledné. Běžná metoda odvození rudého posuvu jako přechodu kinetické energie světla na potenciální energii v samém základu apeluje na teorii relativity a nelze ji považovat za správnou [5] . V Einsteinově teorii gravitace se rudý posuv vysvětluje samotným gravitačním potenciálem: není ničím jiným než projevem geometrie časoprostoru spojeného s relativitou tempa fyzikálního času.

Měření

Gravitační rudý posuv se pokusil změřit[ kdy? ] pomocí dvojice přesných hodin vzdálených od sebe alespoň 30 cm, ale potíže se synchronizací a nedostatek spolehlivé přesnosti zabránily potvrzení teorie s vysokou mírou důvěry ve výsledek.

V roce 2022 vědci z JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics, USA) rozdělili statisíce atomů stroncia na kapky „ve tvaru palačinky“ o 30 atomech. Z takových „palačinek“ byl pomocí speciální optické metody sestaven svislý stoh vysoký 1 mm. Výsledná vrstva byla ozářena laserem a rozptýlené světlo bylo měřeno vysokorychlostní kamerou. Vzhledem k tomu, že atomy byly uspořádány vertikálně, zemská gravitace způsobila, že frekvence oscilací v každé skupině se posunula o jinou hodnotu a byl nalezen rozdíl mezi časem horní části "hromady" a dolní části. Ukázalo se, že v horní části čas zaostával za nejnižším o 10 -19 zlomků sekundy. [6] [7]

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Einstein, A. Relativity: Speciální a obecná teorie Alberta  Einsteina . — Projekt Gutenberg , 2004.
  2. ↑ Uggerhøj, UI; Mikkelsen, RE; Faye, J. Mladý střed Země  (anglicky)  // European Journal of Physics  : journal. - 2016. - Sv. 37 , č. 3 . — P. 035602 . - doi : 10.1088/0143-0807/37/3/035602 . - . — arXiv : 1604.05507 .
  3. ↑ A. Einstein, "Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen", Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik 4, 411-462 (1907); Anglický překlad, v "O principu relativity a závěrech z něj odvozených", v "The Collected Papers", v.2, 433-484 (1989); také v HM Schwartz, "Einsteinův obsáhlý esej o relativitě z roku 1907, část I", American Journal of Physics sv. 45, č. 6 (1977) s. 512-517; Část II v American Journal of Physics sv. 45 č. 9 (1977), str. 811-817; Část III v American Journal of Physics sv. 45 č. 10 (1977), str. 899-902, viz části I, II a III archivované 28. listopadu 2020 na Wayback Machine .
  4. ↑ Marie Antoinette Tonela. „Frekvence v obecné teorii relativity. Teoretické definice a experimentální ověření.» // Einsteinova sbírka 1967 / Ed. vyd. I. E. Tamm a G. I. Naan. — M.: Nauka, 1967. — S. 175−214.
  5. ↑ Okun L. B., Selivanov K. G., Telegdi V. L. „Gravitace, fotony, hodiny“. UFN , 1999, ročník 169, č. 10, s. 1141-1147.
  6. ↑ Einstein měl pravdu: dilatace času byla měřena na nejpřesnějších atomových hodinách Archivováno 18. února 2022 na Wayback Machine // 02/17/2022
  7. ↑ Fyzici měří gravitační zakřivení času s přesností na milimetr Archivováno 18. února 2022 na Wayback Machine

Odkazy