Hispanopedia WikiGravity Probe A (GP-A) was a space-based experiment to test the equivalence principle, a feature of Einstein's theory of relativity. It was performed jointly by the Smithsonian Astrophysical Observatory and the National Aeronautics and Space Administration. The experiment sent a hydrogen maser—a highly accurate frequency standard—into space to measure with high precision the rate at which time passes in a weaker gravitational field. Masses cause distortions in spacetime, which leads to the effects of length contraction and time dilation, both predicted results of Albert Einstein's theory of general relativity. Because of the bending of spacetime, an observer on Earth (in a lower gravitational potential) should measure a slower rate at which time passes than an observer that is higher in altitude (at higher gravitational potential). This effect is known as gravitational time dilation.
The experiment was a test of a major consequence of Einstein's general relativity, the equivalence principle. The equivalence principle states that a reference frame in a uniform gravitational field is indistinguishable from a reference frame that is under uniform acceleration. Further, the equivalence principle predicts that the phenomenon of different time flow rates, present in a uniformly accelerating reference frame, will also be present in a stationary reference frame that is in a uniform gravitational field.
The probe was launched on June 18, 1976, from the NASA-Wallops Flight Center in Wallops Island, Virginia. The probe was carried via a Scout rocket, and attained a height of 10,000 km (6,200 mi), while remaining in space for 1 hour and 55 minutes, as intended. It returned to Earth by splashing down into the Atlantic Ocean.[4]
Background
The objective of the Gravity Probe A experiment was to test the validity of the equivalence principle. The equivalence principle is a key component of Albert Einstein's theory of general relativity, and states that the laws of physics are the same in an accelerating reference frame as they are in a reference frame that is acted upon by a uniform gravitational field.
Equivalence principle
The equivalence principle can be understood by comparing a rocket ship in two scenarios. First, imagine a rocket ship that is at rest on the Earth's surface; objects dropped within the rocket ship will fall towards the floor with an acceleration of 9,8 m/s² . Ahora, imagina una nave espacial distante que ha escapado del campo gravitatorio de la Tierra y está acelerando a una velocidad constante.9,8 m/s² debido al empuje de sus cohetes; los objetos en la nave espacial que no están restringidos se moverán hacia el suelo con una aceleración de9,8 m/s² . Este ejemplo muestra una forma en que un sistema de referencia con aceleración uniforme es indistinguible de un sistema de referencia gravitacional.
Además, el principio de equivalencia postula que los fenómenos causados por efectos inerciales también se presentarán debido a efectos gravitacionales. Consideremos un haz de luz que incide horizontalmente sobre una nave espacial en aceleración. Según un observador externo a la nave que no experimenta aceleración, el suelo de la nave se acelera hacia el haz de luz . Por lo tanto, el haz de luz no parece viajar en una trayectoria horizontal para el observador interno, sino que parece curvarse hacia el suelo. Este es un ejemplo de un efecto inercial que provoca la curvatura de la luz. El principio de equivalencia establece que este fenómeno inercial también ocurrirá en un sistema de referencia gravitacional. De hecho, el fenómeno de la lente gravitacional indica que la materia puede curvar la luz, y este fenómeno ha sido observado por el Telescopio Espacial Hubble y otros experimentos.
dilatación del tiempo
La dilatación del tiempo se refiere a la expansión o contracción de la velocidad a la que transcurre el tiempo, y fue el tema del experimento Gravity Probe A. Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la materia distorsiona el espacio-tiempo circundante . Esta distorsión provoca que el tiempo transcurra más lentamente en las proximidades de un objeto masivo, en comparación con la velocidad experimentada por un observador distante. La métrica de Schwarzschild , que rodea a un cuerpo gravitatorio con simetría esférica, tiene un coeficiente menor enmás cerca del cuerpo, lo que significa que el paso del tiempo es más lento en esa zona.
Existe una idea similar de dilatación del tiempo en la teoría de la relatividad especial de Einstein (que no involucra ni la gravedad ni la idea de un espaciotiempo curvo). Dicha dilatación del tiempo aparece en las coordenadas de Rindler , asociadas a una partícula que acelera uniformemente en un espaciotiempo plano. Esta partícula percibiría que el tiempo transcurre más rápido en el lado hacia el que acelera y más lentamente en el lado opuesto. A partir de esta aparente variación en el tiempo, Einstein dedujo que el cambio de velocidad afecta la relatividad de la simultaneidad para la partícula. El principio de equivalencia de Einstein generaliza esta analogía, estableciendo que un sistema de referencia acelerado es localmente indistinguible de un sistema de referencia inercial sobre el que actúa una fuerza gravitatoria. De esta forma, la sonda Gravity Probe A fue una prueba del principio de equivalencia, que comparaba las observaciones en el marco de referencia inercial (de la relatividad especial) de la superficie terrestre afectada por la gravedad, con las predicciones de la relatividad especial para el mismo marco, tratado como acelerando hacia arriba con respecto a la referencia de caída libre, que puede considerarse inercial y sin gravedad.
Configuración experimental
ElLa sonda gravitatoria de 60 kg albergaba un sistema máser de hidrógeno atómico . Máser es un acrónimo de amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación, y es similar a un láser, ya que produce ondas electromagnéticas coherentes en la región de microondas del espectro electromagnético. Un máser de hidrógeno produce una señal muy precisa (1420 millones de ciclos por segundo), que es altamente estable , con una precisión de una parte en un cuatrillón ( 1015 ). Esto equivale a un reloj que se desfasa menos de dos segundos cada 100 millones de años. [ 5 ] Durante toda la misión se transmitió a tierra una señal de microondas derivada de la frecuencia del máser. La señal unidireccional recibida del cohete sufrió un desplazamiento Doppler relativista debido a la velocidad del cohete y, además, un desplazamiento al azul gravitacional Doppler de un minuto.
Además del máser de hidrógeno que transportaba el cohete, se utilizó otro máser de hidrógeno en tierra como fuente para la transmisión continua de una señal de microondas al cohete. Un transpondedor de microondas a bordo del cohete devolvía la señal a la Tierra. Durante el ascenso, la señal recibida por el cohete sufrió un desplazamiento Doppler debido a su velocidad y un desplazamiento gravitacional hacia el rojo de una magnitud mínima. La señal del transpondedor recibida en tierra también sufrió un desplazamiento Doppler debido a la velocidad del cohete y un desplazamiento gravitacional hacia el azul de la misma magnitud que el desplazamiento hacia el rojo durante el ascenso. Dado que el desplazamiento Doppler gravitacional de las señales durante el ascenso siempre se compensaba exactamente con el desplazamiento Doppler gravitacional durante el descenso, el desplazamiento Doppler bidireccional de la señal recibida en tierra dependía únicamente de la velocidad del cohete.
En un mezclador de frecuencias de microondas , se restó la mitad del desplazamiento Doppler bidireccional de la señal máser terrestre transpondeda al desplazamiento Doppler del máser espacial. De esta forma, el desplazamiento Doppler debido al movimiento de la nave espacial se canceló por completo, quedando solo el componente gravitacional del desplazamiento Doppler.
La sonda fue lanzada casi verticalmente hacia arriba para provocar un gran cambio en el potencial gravitatorio, alcanzando una altura de 10.000 km (6.200 millas) . A esta altura, la relatividad general predijo que un reloj debería funcionar 4,5 partes en 10 10 veces más rápido que uno en la Tierra, o aproximadamente un segundo cada 73 años. [ 6 ] Las oscilaciones del máser representaban los tictacs de un reloj, y al medir la frecuencia del máser a medida que cambiaba de elevación, se detectaron los efectos de la dilatación del tiempo gravitacional.
Resultados
El objetivo del experimento era medir la velocidad a la que transcurre el tiempo en un potencial gravitatorio mayor, por lo que para comprobarlo se comparó el máser de la sonda con un máser similar que permaneció en la Tierra. [ p 1 ] Antes de poder comparar las dos velocidades de reloj , se restó el desplazamiento Doppler a la velocidad de reloj medida por el máser enviado al espacio, para corregir el movimiento relativo entre los observadores en la Tierra y el movimiento de la sonda. A continuación, se compararon las dos velocidades de reloj y, además, se compararon con las predicciones teóricas de cómo deberían diferir las dos velocidades de reloj. La estabilidad del máser permitió medir cambios en la velocidad del máser de 1 parte en 1014 para una medición de 100 segundos.
El experimento permitió comprobar el principio de equivalencia . La sonda gravitatoria A confirmó la predicción de que, a mayor profundidad en el pozo gravitatorio, el flujo del tiempo es más lento [ 7 ] , y los efectos observados coincidieron con los efectos predichos con una precisión de aproximadamente 70 partes por millón.
Véase también
Referencias primarias
- ↑ Vessot, RFC (1980). "Prueba de gravitación relativista con un máser de hidrógeno espacial". Physical Review Letters . 45 (26): 2081– 2084. Bibcode : 1980PhRvL..45.2081V . doi : 10.1103/PhysRevLett.45.2081 .
Referencias
- ↑ Benjamin Crowell (2009). Relatividad general (PDF) . Fullerton/CA.
{{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace ) - ↑ "NASA - NSSDCA - Nave espacial - Detalles de telemetría" . nssdc.gsfc.nasa.gov . Consultado el 13 de mayo de 2020 .
- ↑ "NASA - NSSDCA - Nave espacial - Detalles" . nssdc.gsfc.nasa.gov . Consultado el 13 de mayo de 2020 .
- ↑ "Física fundamental del espacio - Detalles técnicos - Sonda gravitacional A" . NASA JPL . 2 de mayo de 2009. Archivado del original el 18 de septiembre de 2011. Consultado el 5 de mayo de 2013 .
- ↑ Milliner, Joyce B. (10 de junio de 1976). "Sonda espacial para poner a prueba la teoría de Einstein sobre la 'deformación espacio-temporal'" . Archivado del original el 15 de mayo de 2013. Recuperado el 5 de mayo de 2013 .
- ↑ Gilmore, CP (diciembre de 1979). "¿Después de 63 años, por qué siguen poniendo a prueba a Einstein?" . Popular Science . Vol. 215. pág. 12. ISSN 0161-7370 . Consultado el 13 de mayo de 2020 .
- ↑ Than, Ker (5 de mayo de 2011). "Teorías de Einstein confirmadas por la sonda gravitacional de la NASA" . National Geographic Society . Archivado del original el 7 de mayo de 2011. Recuperado el 5 de mayo de 2013 .
Lecturas adicionales
- Validación de la invariancia de la posición local mediante el experimento de desplazamiento al rojo gravitacional.
Enlaces externos
- Colección de la Sonda Gravitacional A, Archivos y Colecciones Especiales de la Universidad de Alabama en Huntsville.
- experimentos de física
- Pruebas de la relatividad general
- 1976 en ciencia
- 1976 en vuelos espaciales