Gravity Probe A (GP-A), pentru principiul de echivalență din relativitatea generală

(Diagrama experimentului Gravity Probe A. )

Tipul misiunii: Astrofizică
Operator: NASA
COSPAR ID: GRAVR-A
Durata misiunii: 1 h 51 m
Apogeu: 10.224 km
Proprietăți ale navei spațiale
– Navă spațială: GP-A
– Masa de lansare: 60 kg
– Putere: 22 W
Începutul misiunii
– Data lansării: 18 iunie 1976
– Racheta: Scout
– Situl lansării: Wallops Flight Facility
– Sfârșitul misiunii: Dezafectare
– Dezactivat: 17 iunie 1976

Gravity Probe A (GP-A) a fost un experiment spațial pentru a testa principiul echivalenței, o caracteristică a teoriei relativității a lui Einstein. A fost realizat în comun de Observatorul astrofizic Smithsonian și de Administrația Națională pentru Aeronautică și Spațiu (NASA). Experimentul a trimis un maser de hidrogen – un standard de frecvență foarte precis – în spațiu pentru a măsura cu mare precizie rata la care trece timpul într-un câmp gravitațional mai slab. Masele provoacă distorsiuni în spațiu-timp, ceea ce duce la efectele contracției lungimii și dilatării timpului, ambele rezultate prezise ale teoriei relativității generale a lui Albert Einstein. Datorită curbării spațiului-timp, un observator pe Pământ (într-un potențial gravitațional mai mic) ar trebui să măsoare o rată mai lentă la care trece timpul decât un observator care este la mai mare altitudine (la un potențial gravitațional mai mare). Acest efect este cunoscut sub numele de dilatație gravitațională a timpului.

Experimentul a fost un test al unei consecințe majore a relativității generale a lui Einstein, principiul echivalenței. Principiul echivalenței afirmă că un cadru de referință într-un câmp gravitațional uniform nu se poate distinge de un cadru de referință care se află sub accelerare uniformă. Mai mult, principiul echivalenței prezice că fenomenul diferitelor rate de curgere a timpului, prezent într-un cadru de referință cu accelerare uniformă, va fi prezent și într-un cadru de referință staționar care se află într-un câmp gravitațional uniform.

Sonda a fost lansată pe 18 iunie 1976 de la NASA-Wallops Flight Center din Wallops Island, Virginia. Sonda a fost transportată printr-o rachetă Scout și a atins o înălțime de 10.000 km, în timp ce a rămas în spațiu timp de 1 oră și 55 de minute, după cum s-a intenționat. S-a întors pe Pământ căzând în Oceanul Atlantic.

Teste

Obiectivul experimentului Gravity Probe A a fost testarea validității principiului echivalenței. Principiul echivalenței este o componentă cheie a teoriei relativității generale a lui Albert Einstein și afirmă că legile fizicii sunt aceleași într-un cadru de referință accelerat ca și într-un cadru de referință care este acționat de un câmp gravitațional uniform.

Principiul echivalenței

Principiul echivalenței poate fi înțeles prin compararea unei nave rachete în două scenarii. În primul rând, imaginați-vă o navă rachetă care este în repaus pe suprafața Pământului; obiectele căzute în rachetă vor cădea spre podea cu o accelerație de 9,8 m/s². Acum, imaginați-vă o navă rachetă îndepărtată care a scăpat de câmpul gravitațional al Pământului și accelerează la o constantă de 9,8 m/s² datorită împingerii focoaselor sale; obiectele din nava rachetă care sunt nefixate se vor deplasa spre podea cu o accelerație de 9,8 m/s². Acest exemplu arată un mod în care un cadru de referință care accelerează uniform nu se distinge de un cadru de referință gravitațional.

Mai mult, principiul echivalenței postulează că fenomenele cauzate de efecte inerțiale vor fi prezente și din cauza efectelor gravitaționale. Luați în considerare un fascicul de lumină care strălucește orizontal pe o navă rachetă, care accelerează. Potrivit unui observator care nu accelerează în afara navei rachete, podeaua navei rachete accelerează spre fasciculul de lumină. Prin urmare, fasciculul de lumină nu pare să se deplaseze pe o cale orizontală conform observatorului interior, ci mai degrabă raza de lumină pare să se aplece spre podea. Acesta este un exemplu de efect inerțial care determină xurbarea luminii. Principiul echivalenței afirmă că acest fenomen inerțial se va produce și într-un cadru de referință gravitațional. Într-adevăr, fenomenul lentilelor gravitaționale afirmă că materia poate curba lumina, și acest fenomen a fost observat de telescopul Hubble și de alte experimente.

Dilatarea timpului

Dilatarea timpului se referă la expansiunea sau contracția vitezei cu care trece timpul, și a făcut obiectul experimentului Gravity Probe A. Conform teoriei relativității generale a lui Einstein, materia distorsionează spațiul-timp înconjurător. Această distorsiune face ca timpul să treacă mai lent în vecinătatea unui obiect masiv, în comparație cu rata experimentată de un observator îndepărtat. Metrica Schwarzschild, pentru un corp gravitator sferic simetric, are un coeficient mai mic la dt² mai aproape de corp, ceea ce înseamnă o rată mai lentă de curgere a timpului acolo.

Există o idee similară a apariției dilatării timpului în teoria relativității speciale a lui Einstein (care nu implică nici gravitația, nici ideea de spațiu-timp curbat). O astfel de dilatare a timpului apare în coordonatele Rindler, atașate la o particulă care accelerează uniform într-un spațiu-timp plat. O astfel de particulă ar observa că timpul trece mai repede pe partea spre care se accelerează și mai încet pe partea opusă. Din această aparentă varianță în timp, Einstein a dedus că schimbarea vitezei afectează relativitatea simultaneității pentru particulă. Principiul de echivalență al lui Einstein generalizează această analogie, afirmând că un cadru de referință accelerat nu se distinge local de un cadru de referință inerțial cu o forță gravitațională care acționează asupra acestuia. În acest fel, sonda de gravitație A a fost un test al principiului echivalenței, potrivind observațiile din cadrul de referință inerțial (al relativității speciale) ale suprafeței Pământului afectate de gravitație, cu predicțiile relativității speciale pentru același cadru tratate ca fiind accelerarea în sus în ceea ce privește referința la cădere liberă, care se poate gândi că este inerțială și fără gravitație.

Setare experimentală

Nava spațială de 60 kg a sondei gravitaționale Gravity Probe A a găzduit un sistem maser de hidrogen atomic care a funcționat pe tot parcursul misiunii. Maser este un acronim pentru amplificarea microundelor prin emisie stimulată de radiații și este similar cu un laser, deoarece produce unde electromagnetice coerente în regiunea microundelor din spectrul electromagnetic. Un maser de hidrogen produce un semnal foarte precis (1,42 miliarde de cicluri pe secundă), care este extrem de stabil – la o parte dintr-un quatrilion (10¹⁵). Acest lucru este echivalent cu un ceas care se deplasează cu mai puțin de două secunde la fiecare 100 de milioane de ani.

Sonda a fost lansată aproape vertical în sus pentru a provoca o schimbare mare a potențialului gravitațional, ajungând la o înălțime de 10.000 km. La această înălțime, relativitatea generală a prezis că un ceas ar trebui să meargă mai repede cu  4,5 părți din 10¹⁰ decât unul de pe Pământ, sau aproximativ o secundă la fiecare 73 de ani. Oscilațiile maserului au reprezentat ticăiturile unui ceas, iar prin măsurarea frecvenței maserului pe măsură ce schimba altitudinea, au fost detectate efectele dilatației timpului gravitațional.

Efectul Doppler

Împreună cu maserul de hidrogen, a fost inclus și un repetor cu microunde în sondă pentru a măsura efectul Doppler a semnalului maser. O deplasare Doppler apare atunci când o sursă se mișcă în raport cu observatorul sursei respective și are ca rezultat o schimbare a frecvenței care corespunde direcției și magnitudinii mișcării relative. Semnalul maserului a fost modificat Doppler deoarece maserul a fost lansat vertical cu o viteză mare față de stația de la sol de pe Pământ.

Rezultate

Scopul experimentului a fost de a măsura rata la care trece timpul într-un potențial gravitațional mai mare, așa că pentru a testa acest lucru maserul din sondă a fost comparat cu un maser similar care a rămas pe Pământ. În comparație, deplasarea Doppler a fost scăzută din rata de ceas măsurată de maserul trimis în spațiu, pentru a corecta mișcarea relativă dintre observatorii de pe Pământ și mișcarea sondei. Cele două rate de ceas au fost apoi comparate și comparate în continuare cu previziunile teoretice ale modului în care cele două rate de ceas ar trebui să difere. Stabilitatea maserului a permis măsurarea modificărilor ratei maserului de 1 parte în 10¹⁴ pentru o măsurare de 100 de secunde.

Experimentul a fost astfel capabil să testeze principiul echivalenței. Gravity Probe A a confirmat prezicerea că cu cât e mai profund puțul gravitațional cu atât timpul curge mai lent, iar efectele observate au egalat efectele prezise cu o precizie de aproximativ 70 de părți pe milion.