Gravity Probe A ( GP-A ) fue un experimento basado en el espacio para probar el principio de equivalencia , una característica de la teoría de la relatividad de Einstein. Fue realizado conjuntamente por el Observatorio Astrofísico Smithsonian y la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio . El experimento envió un máser de hidrógeno —un estándar de frecuencia de alta precisión— al espacio para medir con gran precisión la velocidad a la que pasa el tiempo en un campo gravitacional más débil . Las masas causan distorsiones en el espacio-tiempo , lo que conduce a los efectos de la contracción de la longitud y la dilatación del tiempo., ambos predijeron los resultados de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein . Debido a la curvatura del espacio-tiempo, un observador en la Tierra (con un potencial gravitacional más bajo) debería medir una velocidad más lenta a la que pasa el tiempo que un observador que está a mayor altitud (con un potencial gravitacional más alto). Este efecto se conoce como dilatación del tiempo gravitacional .
Tipo de misión | Astrofísica |
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Operador | NASA |
ID COSPAR | GRAVR-A |
Duración de la misión | 1 h 51 min |
Apogeo | 10,224 km (6,353 millas) |
Propiedades de la nave espacial | |
Astronave | GP-A |
Masa de lanzamiento | 60 kg (130 libras) |
Energía | 22 W |
Inicio de la misión | |
Fecha de lanzamiento | 18 de junio de 1976 |
Cohete | Explorador [2] |
Sitio de lanzamiento | Instalación de vuelo de Wallops [3] |
Fin de la misión | |
Disposición | Desmantelado |
Desactivado | 17 de junio de 1976 |
El experimento fue una prueba de una consecuencia importante de la relatividad general de Einstein, el principio de equivalencia. El principio de equivalencia establece que un marco de referencia en un campo gravitacional uniforme es indistinguible de un marco de referencia que está bajo aceleración uniforme. Además, el principio de equivalencia predice que el fenómeno de diferentes caudales de tiempo, presente en un marco de referencia de aceleración uniforme, también estará presente en un marco de referencia estacionario que está en un campo gravitacional uniforme.
La sonda fue lanzada el 18 de junio de 1976 desde el Centro de Vuelo Wallops de la NASA en Wallops Island, Virginia. La sonda fue transportada a través de un cohete Scout y alcanzó una altura de 10.000 km (6.200 millas), mientras permanecía en el espacio durante 1 hora y 55 minutos, como estaba previsto. Regresó a la Tierra chapoteando en el Océano Atlántico. [4]
Fondo
El objetivo del experimento Gravity Probe A era probar la validez del principio de equivalencia. El principio de equivalencia es un componente clave de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein , y establece que las leyes de la física son las mismas en un marco de referencia acelerado que en un marco de referencia sobre el que actúa un campo gravitacional uniforme .
Principio de equivalencia
El principio de equivalencia se puede entender comparando un cohete en dos escenarios. Primero, imagina un cohete que está en reposo sobre la superficie de la Tierra; Los objetos arrojados dentro de la nave espacial caerán hacia el suelo con una aceleración de9,8 m / s 2 . Ahora, imagine una nave espacial distante que ha escapado del campo gravitacional de la Tierra y está acelerando a una velocidad constante.9,8 m / s 2 debido al empuje de sus cohetes; Los objetos en la nave espacial que no estén restringidos se moverán hacia el piso con una aceleración de9,8 m / s 2 . Este ejemplo muestra una forma en la que un sistema de referencia de aceleración uniforme es indistinguible de un sistema de referencia gravitacional.
Además, el principio de equivalencia postula que los fenómenos que son causados por efectos inerciales también estarán presentes debido a efectos gravitacionales. Considere un rayo de luz que brilla horizontalmente a través de un cohete, que está acelerando. Según un observador que no acelera fuera de la nave espacial, el piso de la nave espacial acelera hacia el haz de luz. Por lo tanto, el rayo de luz no parece viajar en una trayectoria horizontal según el observador interno, sino que el rayo de luz parece inclinarse hacia el suelo. Este es un ejemplo de un efecto inercial que hace que la luz se doble. El principio de equivalencia establece que este fenómeno inercial también ocurrirá en un sistema de referencia gravitacional. De hecho, el fenómeno de las lentes gravitacionales establece que la materia puede desviar la luz, y este fenómeno ha sido observado por el telescopio Hubble y otros experimentos.
Dilatación del tiempo
La dilatación del tiempo se refiere a la expansión o contracción en la velocidad a la que pasa 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 hace que el tiempo pase más lentamente en la vecindad de un objeto masivo, en comparación con la velocidad experimentada por un observador distante. La métrica de Schwarzschild , que rodea un cuerpo gravitante esféricamente simétrico, tiene un coeficiente menor en más cerca del cuerpo, lo que significa un flujo de tiempo más lento allí.
Existe una idea similar de la ocurrencia de dilatación del tiempo en la teoría de la relatividad especial de Einstein (que no involucra ni la gravedad ni la idea de espacio-tiempo curvo). Tal dilatación del tiempo aparece en las coordenadas de Rindler , unidas a una partícula que se acelera uniformemente en un espacio-tiempo plano. Tal partícula observaría que el tiempo pasa más rápido en el lado hacia el que se acelera y más lentamente en el lado opuesto. A partir de esta aparente variación en el tiempo, Einstein infirió que el cambio de velocidad afecta la relatividad de la simultaneidad de la partícula. El principio de equivalencia de Einstein generaliza esta analogía, afirmando que un marco de referencia acelerado es localmente indistinguible de un marco de referencia inercial con una fuerza de gravedad actuando sobre él. De esta manera, la sonda de gravedad A fue una prueba del principio de equivalencia, haciendo coincidir las observaciones en el marco de referencia inercial (de relatividad especial) de la superficie terrestre afectada por la gravedad, con las predicciones de la relatividad especial para el mismo marco tratadas como si fueran acelerando hacia arriba con respecto a la referencia de caída libre, que puede considerarse inercial y sin gravedad.
Configuración experimental
La Sonda de gravedad de 60 kg Una nave espacial albergaba un sistema de máser de hidrógeno atómico que operó durante toda la misión. Maser 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 (1,42 mil millones de ciclos por segundo), que es muy estable, a una parte en un cuatrillón (10 15 ). Esto equivale a un reloj que se desplaza menos de dos segundos cada 100 millones de años. [5]
La sonda se lanzó casi verticalmente hacia arriba para provocar un gran cambio en el potencial gravitacional, 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 más rápido que uno en la Tierra, o aproximadamente un segundo cada 73 años. [6] Las oscilaciones del maser representaron los tics de un reloj, y midiendo la frecuencia del maser a medida que cambiaba de elevación, se detectaron los efectos de la dilatación del tiempo gravitacional.
desplazamiento Doppler
Junto con el máser de hidrógeno, también se incluyó un repetidor de microondas en la sonda para medir el desplazamiento Doppler de la señal del máser. Un cambio Doppler ocurre cuando una fuente se mueve en relación con el observador de esa fuente y da como resultado un cambio en la frecuencia que corresponde a la dirección y magnitud del movimiento relativo. La señal del máser fue Doppler desplazada porque se lanzó verticalmente a alta velocidad en relación con la estación terrestre en la Tierra.
Resultados
El objetivo del experimento era medir la velocidad a la que pasa el tiempo en un potencial gravitacional más alto, por lo que para probar esto, el máser en la sonda se comparó con un máser similar que permaneció en la Tierra. [ cita requerida ] Antes de que se pudieran comparar las dos frecuencias de reloj, el desplazamiento Doppler se restó de la frecuencia de reloj medida por el máser que se envió 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 se compararon con las predicciones teóricas de cómo deberían diferir las dos velocidades de reloj. La estabilidad del máser permitió la medición de cambios en la velocidad del máser de 1 parte en 10 14 para una medición de 100 segundos.
Así, el experimento pudo probar el principio de equivalencia . La sonda de gravedad A confirmó la predicción de que, a mayor profundidad en el pozo de gravedad, el tiempo fluye más lento, [7] y los efectos observados coincidieron con los efectos previstos con una precisión de aproximadamente 70 partes por millón.
Ver también
Referencias
- ^ Benjamin Crowell (2009). Relatividad general (PDF) . Fullerton / CA.
- ^ "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 de gravedad A" . Nasa JPL . 2 de mayo de 2009. Archivado desde el 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 probar la teoría de la" deformación espacio-temporal "de Einstein . Archivado desde el original el 15 de mayo de 2013 . Consultado el 5 de mayo de 2013 .
- ^ Gilmore, CP (diciembre de 1979). "Después de 63 años, ¿por qué todavía están probando Einstein?" . Ciencia popular . Vol. 215. Bonnier Corporation. pag. 12. ISSN 0161-7370 . Consultado el 13 de mayo de 2020 .
- ^ Than, Ker (5 de mayo de 2011). "Teorías de Einstein confirmadas por sonda de gravedad de la NASA" . Sociedad Geográfica Nacional . Consultado el 5 de mayo de 2013 .
Otras lecturas
- RFC Vessot; et al. (1980). "Prueba de gravitación relativista con un maestro de hidrógeno espacial". Cartas de revisión física . 45 (26): 2081-2084. Código Bibliográfico : 1980PhRvL..45.2081V . doi : 10.1103 / PhysRevLett.45.2081 .
- Validación de la invariancia de la posición local a través del experimento de cambio al rojo gravitacional
enlaces externos
- Colección Gravity Probe A, Archivos y colecciones especiales de la Universidad de Alabama en Huntsville