24.4: Muda katika Uhusiano Mkuu

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza jinsi mvuto wa Einsteinian unapungua saa na unaweza kupunguza mzunguko wa wimbi la mwanga wa oscillation
• Tambua kwamba kupungua kwa mvuto katika mzunguko wa wimbi la nuru hulipwa na ongezeko la wavelength ya wimbi la mwanga-kinachojulikana kama mvuto redshift-ili mwanga uendelee kusafiri kwa kasi ya mara kwa mara

Nadharia ya jumla ya relativity inafanya utabiri mbalimbali kuhusu tabia ya nafasi na wakati. Moja ya utabiri huu, kuweka katika maneno ya kila siku, ni kwamba nguvu ya mvuto, polepole kasi ya muda. Taarifa hiyo inakwenda sana kinyume na hisia yetu ya muda kama mtiririko ambao sote tunashiriki. Muda umeonekana kuwa dhana ya kidemokrasia zaidi: sisi sote, bila kujali utajiri au hali, tunaonekana kuhamia pamoja kutoka kwenye utoto hadi kaburi kwa sasa kubwa ya wakati.

Lakini Einstein alisema kuwa inaonekana tu njia hii kwetu kwa sababu binadamu wote hadi sasa wameishi na kufa katika mazingira ya mvuto wa Dunia. Hatukuwa na nafasi ya kupima wazo kwamba kasi ya muda inaweza kutegemea nguvu ya mvuto, kwa sababu hatujapata gravities tofauti sana. Aidha, tofauti katika mtiririko wa muda ni ndogo sana mpaka raia kubwa kweli wanahusika. Hata hivyo, utabiri wa Einstein sasa umejaribiwa, duniani na katika nafasi.

Majaribio ya Muda

Jaribio la ujuzi katika 1959 lilitumia saa ya atomiki sahihi zaidi inayojulikana kulinganisha vipimo vya muda kwenye ghorofa ya chini na sakafu ya juu ya jengo la fizikia katika Chuo Kikuu cha Harvard. Kwa saa, majaribio walitumia mzunguko (idadi ya mzunguko kwa pili) ya mionzi ya gamma iliyotolewa na cobalt ya mionzi. Nadharia ya Einstein inatabiri kwamba saa hiyo ya cobalt kwenye ghorofa ya chini, kuwa karibu sana na kituo cha mvuto wa dunia, inapaswa kukimbia polepole kidogo kuliko saa moja kwenye ghorofa ya juu. Hii ndio hasa majaribio yaliyozingatiwa. Baadaye, saa za atomiki zilichukuliwa kwenye ndege ya juu na hata kwenye ndege moja ya nafasi ya Gemini. Katika kila kesi, saa mbali na Dunia mbio kidogo kwa kasi. Wakati katika 1959 haijalishi sana kama saa ya juu ya jengo iliendesha kwa kasi zaidi kuliko saa katika basement, leo athari hiyo ni muhimu sana. Kila smartphone au kifaa ambacho kinashirikiana na GPS lazima iwe sahihi kwa hili (kama tutakavyoona katika sehemu inayofuata) tangu saa za satelaiti zitaendesha kwa kasi zaidi kuliko saa za Dunia.

Athari hutamkwa zaidi kama mvuto unaohusika ni wa Jua na sio Dunia.Kama mvuto wenye nguvu unapunguza kasi ya muda, basi itachukua muda mrefu kwa wimbi la nuru au redio linalopita sana karibu na makali ya Jua kufikia Dunia kuliko tungetarajia kwa misingi ya sheria ya Newton ya mvuto. (Inachukua muda mrefu kwa sababu spacetime ni ikiwa katika maeneo ya jirani ya Sun.) Umbali mdogo kati ya mwanga wa mwanga na makali ya Jua kwa njia ya karibu, tena itakuwa kuchelewa wakati wa kuwasili.

Katika Novemba 1976, wakati mbili Viking spacecraft walikuwa kazi juu ya uso wa Mars, sayari akaenda nyuma ya Sun kama inavyoonekana kutoka Dunia (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Wanasayansi walikuwa wameandaa Viking kutuma wimbi la redio kuelekea Dunia ambalo lingeenda karibu sana na mikoa ya nje ya Jua. Kwa mujibu wa relativity kwa ujumla, kutakuwa na kuchelewa kwa sababu wimbi la redio lingepitia eneo ambako muda ulikimbia polepole zaidi. Jaribio liliweza kuthibitisha nadharia ya Einstein hadi ndani ya 0.1%.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Muda Kuchelewa kwa Radio Waves karibu Sun. Ishara za redio kutoka kwa Lander ya Viking kwenye Mars zilichelewa wakati zilipita karibu na Jua, ambapo muda wa nafasi hupigwa kwa kiasi kikubwa. Katika picha hii, muda wa nafasi unaonyeshwa kama karatasi ya mpira wa pande mbili.

Mvuto Redshift

Ina maana gani kusema kwamba wakati unaendesha polepole zaidi? Wakati mwanga unaojitokeza kutoka eneo la mvuto mkubwa ambapo wakati unapungua, mwanga hupata mabadiliko katika mzunguko wake na wavelength. Ili kuelewa kinachotokea, hebu tukumbuke kwamba wimbi la mwanga ni jambo la kurudia - crest ifuatavyo crest kwa kawaida. Kwa maana hii, kila wimbi la mwanga ni saa kidogo, kuweka muda na mzunguko wake wa wimbi. Ikiwa mvuto mkali unapungua kasi ya muda (kuhusiana na mwangalizi wa nje), basi kiwango ambacho kiumbe kinachofuata kiumbe lazima kiwe polepole-yaani, mawimbi huwa chini ya mara kwa mara.

Ili kudumisha kasi ya mwanga mara kwa mara (postulate muhimu katika nadharia za Einstein za relativity maalum na ya jumla), mzunguko wa chini unapaswa kulipwa kwa wavelength ndefu. Aina hii ya ongezeko la wavelength (wakati unasababishwa na mwendo wa chanzo) ni kile tulichokiita redshift katika Mionzi na Spectra. Hapa, kwa sababu ni mvuto na sio mwendo unaozalisha wavelengths ndefu, tunaita athari kuwa mabadiliko ya mvuto.

Ujio wa teknolojia ya umri wa nafasi ilifanya iwezekanavyo kupima redshift ya mvuto kwa usahihi wa juu sana. Katikati ya miaka ya 1970, maser ya hidrojeni, kifaa sawa na laser inayozalisha ishara ya redio ya microwave kwenye wavelength fulani, ilifanywa na roketi hadi urefu wa kilomita 10,000. Vyombo vya chini vilitumiwa kulinganisha mzunguko wa ishara iliyotolewa na maser ya roketi na ile kutoka kwa maser sawa duniani. Jaribio lilionyesha kuwa shamba lenye nguvu la mvuto kwenye uso wa Dunia lilifanya polepole mtiririko wa muda kuhusiana na ule uliopimwa na mabwana katika roketi. Athari iliyoonekana ilifanana na utabiri wa uwiano wa jumla ndani ya sehemu chache katika 100,000.

Hizi ni mifano michache tu ya vipimo ambavyo vimethibitisha utabiri wa uwiano wa jumla. Leo, relativity ya jumla inakubaliwa kama maelezo yetu bora ya mvuto na hutumiwa na wanaastronomia na fizikia kuelewa tabia ya vituo vya galaxi, mwanzo wa ulimwengu, na somo ambalo tulianza sura hii—kifo cha nyota kubwa sana.

Uhusiano: Maombi ya Vitendo

Kwa sasa unaweza kuuliza: kwa nini nipaswa kuwa na wasiwasi na relativity? Je, siwezi kuishi maisha yangu vizuri kabisa bila hiyo? Jibu ni huwezi Kila wakati majaribio anapanda ndege au unatumia GPS ili kujua mahali ulipo kwenye gari au kuongezeka katika nchi ya nyuma, wewe (au angalau kifaa chako kilichowezeshwa na GPS) lazima uzingatie athari za uwiano wa jumla na maalum.

GPS inategemea safu ya satelaiti 24 zinazozunguka Dunia, na angalau 4 kati yao zinaonekana kutoka mahali popote duniani. Kila satellite hubeba saa sahihi ya atomiki. GPS yako receiver hutambua ishara kutoka satelaiti hizo ambazo ni uendeshaji na mahesabu ya msimamo wako kulingana na wakati kwamba imechukua ishara hizo kufikia wewe. Tuseme unataka kujua ambapo wewe ni ndani ya 50 miguu (GPS vifaa unaweza kweli kufanya vizuri zaidi kuliko hii). Kwa kuwa inachukua tu 50 bilioni ya pili kwa mwanga kusafiri 50 miguu, saa juu ya satelaiti lazima synchronized kwa angalau hii usahihi na madhara relativistic lazima kwa hiyo kuzingatiwa.

Saa kwenye satelaiti zinazunguka Dunia kwa kasi ya kilomita 14,000 kwa saa na zinahamia kwa kasi zaidi kuliko saa kwenye uso wa Dunia. Kwa mujibu wa nadharia ya Einstein ya relativity, saa kwenye satelaiti zinakaribia polepole zaidi kuliko saa za dunia kwa karibu milioni 7 za pili kwa siku. (Hatujajadili nadharia maalum ya relativity, ambayo inahusika na mabadiliko wakati vitu vinavyohamia haraka sana, hivyo utahitaji kuchukua neno letu kwa sehemu hii.)

Njia za satelaiti ni kilomita 20,000 juu ya Dunia, ambapo mvuto ni karibu mara nne dhaifu kuliko uso wa Dunia. Uhusiano wa jumla unasema kuwa saa za mzunguko zinapaswa kuandika kuhusu milioni 45 za pili kwa kasi zaidi kuliko walivyoweza duniani. athari wavu ni kwamba wakati juu ya satellite saa maendeleo kwa karibu 38 microseconds kwa siku. Ikiwa madhara haya ya relativistic hayakuzingatiwa, makosa ya navigational yangeanza kuongeza na nafasi zingekuwa mbali na maili 7 kwa siku moja tu.

Dhana muhimu na Muhtasari

Uhusiano wa jumla unatabiri kuwa nguvu ya mvuto, wakati wa polepole zaidi unapaswa kukimbia. Majaribio duniani na kwa spacecraft imethibitisha utabiri huu kwa usahihi wa ajabu. Wakati mwanga au mionzi mingine inatoka kwenye mabaki madogo madogo, kama vile nyota kibete nyeupe au nyutroni, inaonyesha mabadiliko ya mvuto kutokana na kupungua kwa muda.

faharasa

mvuto redshift

ongezeko la wavelength ya wimbi la umeme (mwanga) wakati wa kueneza kutoka au karibu na kitu kikubwa