שעונים, כוח משיכה וגבולות היחסות

תמונה זו של מעבדת החלל בקולומבוס באירופה צולמה על ידי אסטרונאוט ה- ESA לוקה פרמיטאנו במהלך מסלול ההליכה שלו ב- 9 ביולי 2013. תמונה דרך ESA / NASA.

דרך ESA

תחנת החלל הבינלאומית תארח את השעונים המדויקים ביותר אי פעם לעזוב את כדור הארץ. מדויק לשנייה בתוך 300 מיליון שנה, השעונים ידחפו את מדידת הזמן כדי לבחון את גבולות תורת היחסות והבנתנו את כוח הכובד.

תיאוריית היחסות הכללית של אלברט איינשטיין ניבאה כי כוח המשיכה והמהירות משפיעים על הזמן; ככל שאתה נוסע מהר יותר הזמן מאט יותר, אך גם ככל שמשיכה את כוח הכובד שלך יותר כך הזמן מאט יותר.

תמונה שלילית של ליקוי חמה של שנת 1919. תמונה באמצעות החברה האסטרונומית המלכותית.

ב- 29 במאי 1919, התיאוריה של איינשטיין הועמדה לראשונה במבחן כאשר ארתור אדינגטון צפה באור הכופף סביב השמש במהלך ליקוי חמה. ארבעים שנה לאחר מכן, ניסוי הפאונד-רבקה נמדד לראשונה את אפקט ההיסטה האדומה שנגרם על ידי כוח הכבידה במעבדה, אולם מאה שנה לאחר מכן מדענים עדיין מחפשים את גבולות התיאוריה.

לואיג'י קאצ'אפווטי, אנסמבל השעונים האטומיים בחלל (ACES), הסביר:

תורת היחסות מתארת ​​את היקום שלנו בקנה מידה גדול, אך בגבול עם קנה המידה האינסופי ביותר התיאוריה אינה מתלפפת והיא נותרת בקנה אחד עם מכניקת הקוונטים. ניסיונותיה כיום לאיחוד תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים מנבאים הפרות של עקרון השוויון של איינשטיין.

העיקרון של איינשטיין מפרט כיצד כוח המשיכה מפריע לזמן ולמרחב. אחד הביטויים המעניינים ביותר שלו הוא הרחבת זמן בגלל כוח המשיכה. השפעה זו הוכחה על ידי השוואת שעונים בגבהים שונים כמו בהרים, בעמקים ובחלל. שעונים בגבהים גבוהים מראים שהזמן עובר מהר יותר ביחס לשעון על פני כדור הארץ, מכיוון שיש פחות כוח משיכה מכדור הארץ ככל שאתה רחוק יותר מכוכב הלכת שלנו.

טס בגובה 250 ק"מ (400 ק"מ) בתחנת החלל, אנסמבל השעון האטומי בחלל יבצע מדידות מדויקות מתמיד.

שעון ACES. תמונה דרך CNES.

אינטרנט של שעונים

ACES תיצור "אינטרנט של שעונים", שיחבר בין היצירות האטומיות המדויקות ביותר ברחבי העולם ותשווה בין זמן העבודה שלהן לזו שבמעבדה חסרת המשקל של המין האנושי בזמן שהיא טסה מעל לראש.

השוואה של זמן עד ליציבות של מאות פמטוסקונד - מיליון המיליארדית השנייה - דורשת טכניקות הדוחקות את גבולות הטכנולוגיה הנוכחית. ל- ACES יש שתי דרכים לשעונים להעביר את הנתונים שלהם, קישור מיקרוגל וקישור אופטי. שני החיבורים מחליפים אותות תזמון דו כיווניים בין תחנות הקרקע למסוף החלל, כאשר אות התזמון פונה כלפי מעלה לתחנת החלל וכשהוא חוזר לכדור הארץ.

הדיוק חסר התקדים שמציעה תוכנית זו מביא כמה בונוסים נחמדים לניסוי ACES. שעונים בשטח יושוו בינם לבין עצמם המספקים מדידות מקומיות של הבדלים גיאו-פוטנציאליים, ועוזרים למדענים לחקור את כדור הארץ שלנו ואת כוח הכבידה שלו.

התדרים של קישורי הלייזר והמיקרוגל יעזרו להבין כיצד גלי האור והרדיו מתפשטים דרך הטרופוספירה והיונוספרה, ובכך יספקו מידע על האקלים. לבסוף, האינטרנט של השעונים יאפשר למדענים להפיץ זמן ולסנכרן את השעונים שלהם ברחבי העולם לצורך ניסויים מבוססי כדור הארץ גדולים וליישומים אחרים הדורשים תזמון מדויק.

מודול קולומבוס עם ACES. תמונה באמצעות ESA – D. דוקרוס.

לואיג'י אמר:

ניתן להשתמש בדור הבא של שעוני האטום וטכניקות הקישור שאנו מפתחים יום אחד בכדי להתבונן בגלי הכבידה עצמם כמשימת LISA המוצעת של ESA, אך כרגע ACES יעזרו לנו לבדוק כמיטב יכולתנו את תורת היחסות הכללית של איינשטיין, בחיפוש אחר הפרות זעירות שאם יימצאו, עשויות לפתוח חלון לתיאוריה חדשה של הפיזיקה שצריכה להגיע.

השעונים נבדקו ושולבו בעומס המטען של ACES וקישור המיקרוגל ל- ACES עובר בדיקות לפני השילוב הסופי עם הניסוי המלא. ACES תהיה מוכנה לשיגור לתחנת החלל עד 2020.

שורה תחתונה: תיאוריית הכובד של איינשטיין הועמדה לראשונה במבחן כאשר ארתור אדינגטון צפה באור "מתכופף" סביב השמש במהלך ליקוי חמה. מאה שנה לאחר מכן מדענים עדיין מחפשים את גבולות התיאוריה.