Gravitaation aikadilataatio: määritelmä ja esimerkit (GPS, ISS)
Gravitaation aikadilataatio: määritelmä ja käytännön esimerkit — miten GPS ja ISS vaativat kellokorjauksia ja kuinka painovoima muuttaa ajan kulun satelliittinavigaatiossa.
Gravitaation aiheuttama ajanlaajeneminen on fysiikan käsite, joka kuvaa sitä, miten yleinen suhteellisuusteoria ennustaa ajan kulun poikkeavan eri gravitaatiopotentiaaleissa. Lyhyesti sanottuna kellot, jotka sijaitsevat syvemmällä gravitaatiokentässä (lähempänä massakeskittymää), käyvät hitaammin kuin kellot, jotka ovat kauempana. Tämä ilmiö ei riipu kellon mekanismista, vaan avaruusajan rakenteesta.
Miten gravitaation aikadilataatio syntyy ja miten se mitataan
Yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaatiokenttä muokkaa avaruusaikaa siten, että ajanjaksojen pituudet eri korkeuksissa eroavat. Heikossa kentässä (maapallon läheisyydessä) aikadilataation suuruutta voidaan arvioida likimääräisellä kaavalla:
t_kohtainen ≈ t_infinity * sqrt(1 - 2GM/(rc^2)),
jossa G on gravitaatiovakio, M on massakeskittymä (esim. Maa), r on etäisyys massan keskustasta ja c on valonnopeus. Käytännössä usein käytetään ensimmäisen kertaluvun approksimaatiota, jossa aikanopeuden muutos on noin −Φ/c^2, missä Φ on gravitaatiopotentiaalin ero. Suurimmat käytännön vaikutukset mitataan kuitenkin mikrosekuntien ja nanosekuntien tasolla päivässä.
Erot suhteellisuusteorioiden välillä
Tämä gravitaation aiheuttama aikadilataatio eroaa erityisen suhteellisuusteorian ennustamasta aikadilataatiosta, jonka mukaan nopeasti liikkuva kello nähdään paikallaan olevan tarkkailijan mukaan hidastuneena. Usein avaruusaluksia ja satelliitteja koskevissa tilanteissa molemmat vaikutukset (gravitaation ja nopeuden aiheuttama) ovat läsnä ja niitä täytyy laskea yhteen.
Esimerkit: GPS ja Kansainvälinen avaruusasema (ISS)
Satelliittien ja Maan pinnan väliset erot havainnollistavat ilmiötä konkreettisesti:
- GPS-satelliitit: GPS-satelliitit toimivat noin 20 200 km:n korkeudessa ja kiertävät Maata nopeasti. Niiden kellot kokevat kaksi vastakkaista vaikutusta:
- Erityissuhteellisuusteorian mukaan niiden liike hidastaa kelloja noin 7,2 mikrosekuntia päivässä.
- Yleisen suhteellisuusteorian mukaan heikompi gravitaatiopotentiaali korkeudessa saa kellot kulkemaan noin 45,6 mikrosekuntia päivässä nopeammin kuin Maan pinnan kellot.
- Kansainvälinen avaruusasema (ISS): ISS kiertää huomattavasti matalammalla (~400 km) ja paljon nopeammin kuin GPS-satelliitit. Tällöin erityissuhteellisuusteorian avulla laskettu nopeudesta johtuva hidastuminen on suurempi kuin gravitaation vuoksi syntyvä kiihtyvä efekti korkeudessa. Esimerkiksi ISS:n nopeudesta johtuva hidastuminen on luokkaa ~28 μs/pv ja gravitaation vaikutus hyvin matalasta korkeudesta johtuen on vain muutamia mikrosekunteja päivässä plussalla, jolloin nettovaikutus on että ISS:n kellot näyttävät hidastuvan useita kymmeniä mikrosekunteja päivässä (eli ne "kuluvat" hitaammin kuin vastaavat maanpinnan kellot).
Miksi korjaukset ovat tärkeitä käytännössä?
Pienikin ajavirhe johtaa merkittävään paikkavirheeseen, koska etäisyys lasketaan saman aikaleiman perusteella signaalin kulkuajasta. Valonnopeudella 1 mikrosekunti vastaa noin 300 metriä, joten GPS:n ~38 μs/pv erotus tarkoittaisi ilman korjauksia kertyvää virhettä kilometrien luokkaa päivässä. Siksi satelliittijärjestelmät huomioivat sekä yleisen että erityisen suhteellisuusteorian korjaukset: kellojen taajuuksia voidaan esiasettaa ja laskentamalleissa tehdään relativistiset korjaukset (mukaan lukien myös muita efektejä kuten Sagnac-ilmiö ja signaalin viivästykset ilmakehässä).
Yhteenveto
Gravitaation aikadilataatio on reaalinen ja mitattavissa oleva ilmiö, joka seuraa yleisestä suhteellisuusteoriasta. Sen vaikutus riippuu siitä, kuinka syvällä tai kaukana tarkkailijan ja mittauslaitteen välillä ollaan suhteessa massakeskittymään. Useimmissa satelliitti- ja avaruusjärjestelmissä sekä gravitaation että nopeuden vaikutukset on huomioitava, jotta ajan mittaus ja paikannus pysyvät tarkkoina.
Kaksi hyvää kelloa näyttää eri aikoja avaruudessa ja Maassa.
Todisteet
Kokeet tukevat molempia ajanlaajenemisen näkökohtia.
Suhteellisesta nopeudesta johtuva aikadilataatio
Kaava ajanlaajenemisen määrittämiseksi erityisessä suhteellisuusteoriassa on:
Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,} 
jossa
Δ t {\displaystyle \Delta t\,}
on havaitsijan aikaväli (esim. kellon tikit) - tätä kutsutaan omaksi ajaksi,
Δ t ′ {\displaystyle \Delta t'\,}
on aikaväli, jonka aikana henkilö liikkuu nopeudella v suhteessa havaitsijaan,
v {\displaystyle v\,}
on havaitsijan ja liikkuvan kellon välinen suhteellinen nopeus,
c 
on valon nopeus.
Se voitaisiin kirjoittaa myös seuraavasti:
Δ t ′ = γ Δ t {\displaystyle \Delta t'=\gamma \Delta t\,} 
jossa
γ = 1 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,} 
on Lorentz-kerroin.
Yksinkertainen yhteenveto on, että levossa olevasta kellosta mitataan enemmän aikaa kuin liikkuvasta kellosta, joten liikkuva kello "käy hitaasti".
Kun molemmat kellot eivät liiku toisiinsa nähden, mitatut ajat ovat samat. Tämä voidaan todistaa matemaattisesti seuraavasti
Δ t ′ = Δ t 1 - 0 / c 2 = Δ t {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-0/c^{2}}}}={\Delta t}\,} 
Esimerkiksi: Avaruusaluksessa, joka liikkuu 99 % valonnopeudesta, kuluu vuosi. Kuinka paljon aikaa kuluu maapallolla?
v = 0,99 c {\displaystyle v=0,99c\,} 
Δ t = 1 {\displaystyle \Delta t=1\,} 
vuosi
Δ t ′ = ? {\displaystyle \Delta t'=?\,} 
Korvaamalla : Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,}
Δ t ′ = 1 1 - ( .99 c ) 2 / c 2 = 1 1 - ( . 99 ) 2 ( c ) 2 c 2 = 1 1 - ( .99 ) 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {1}{\sqrt {1-(.99c)^{2}/c^{2}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {(.99)^{2}(c)^{2}}{c^{2}}}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-(.99)^{2}}}}} 
= 1 1 - 0.9801 = 1 0.0199 = 7.08881205 {\displaystyle ={\frac {1}{\sqrt {1-0.9801}}}={\frac {1}{\sqrt {0.0199}}}=7.08881205} 
vuotta
Jokaista avaruusaluksessa vietettyä vuotta kohden maapallolla kuluu siis noin 7,09 vuotta.
Nykypäivän tavallisessa elämässä aikadilataatio ei ole ollut tekijä, sillä ihmiset liikkuvat paljon valonnopeutta pienemmillä nopeuksilla, eivätkä nopeudet ole tarpeeksi suuria, jotta aikadilataatiovaikutuksia voitaisiin havaita. Tällaiset häviävän pienet vaikutukset voidaan turvallisesti jättää huomiotta. Vasta kun kappaleen nopeus lähestyy 30 000 kilometrin sekuntinopeutta (10 prosenttia valon nopeudesta), ajanlaajeneminen tulee merkittäväksi.
Ajanlaajenemisella on kuitenkin käytännön käyttötarkoituksia. Suuri esimerkki tästä on GPS-satelliittien kellojen pitäminen tarkkana. Ilman ajanlaajenemisen huomioon ottamista GPS-tulos olisi hyödytön, koska aika kulkee nopeammin satelliiteissa, jotka ovat niin kaukana Maan painovoimasta. GPS-laitteet laskisivat väärän sijainnin aikaeron vuoksi, jos avaruuden kelloja ei asetettaisi käymään hitaammin Maassa, jotta kompensoitaisiin nopeampi aika korkealla Maan kiertoradalla (geostationaarisella kiertoradalla).
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mitä on painovoiman aiheuttama aikadilataatio?
V: Gravitaation aiheuttama ajanlaajeneminen on fysiikan käsite, joka koskee yleisen suhteellisuusteorian aiheuttamia muutoksia ajan kulussa. Se tapahtuu, kun raskaat kappaleet, kuten planeetat, luovat gravitaatiokentän, joka hidastaa aikaa lähellä.
K: Miten se eroaa erityisestä suhteellisuusteoriasta?
V: Erityisen suhteellisuusteorian mukaan nopeat kohteet liikkuvat ajassa hitaammin, kun taas painovoiman aiheuttaman ajanlaajenemisen mukaan vahvan gravitaatiokentän lähellä olevat kellot kulkevat hitaammin kuin heikommassa gravitaatiokentässä olevat kellot.
K: Mitä tapahtuu kansainvälisen avaruusaseman (ISS) kelloille?
V: Koska ISS on matalalla Maan kiertoradalla (LEO), sen nopeus hidastaa sen kelloa enemmän kuin nopeuttaa sitä painovoiman vuoksi. Tämä tarkoittaa, että siinä oleva kello hidastuu enemmän kuin nopeutuu.
K: Miten geostationaarinen kiertorata vaikuttaa kelloihin?
V: Geostationaarisella kiertoradalla oleva kohde liikkuu hitaammin ja on kauempana Maasta, joten painovoiman aiheuttama aikadilataatio on voimakkaampi ja kellot liikkuvat nopeammin kuin LEO:ssa.
K: Mitä insinöörien on otettava huomioon, kun he valitsevat eri kelloja eri kiertoradoille?
V: Insinöörien on valittava eri kellot eri kiertoradoille sen mukaan, miten paljon painovoima tai nopeus vaikuttaa niihin niiden sijainnin ja etäisyyden vuoksi Maan pinnasta.
K: Miten GPS-satelliitit toimivat molempien aikadilaatioiden suhteen?
V: GPS-satelliitit toimivat, koska ne tuntevat molemmat ajanlaajenemisen lajit - sekä erityisen suhteellisuusteorian että yleisen suhteellisuusteorian - minkä ansiosta ne pystyvät mittaamaan tarkasti Maan pinnalla sijaitsevien paikkojen välisiä etäisyyksiä huolimatta painovoiman tai nopeuden eroista, jotka johtuvat niiden sijainnista ja etäisyydestä Maan pinnasta.
Etsiä