Gravity Probe A ( GP-A ) fue un experimento espacial para probar el principio de equivalencia , una característica de la teoría de la relatividad de Einstein. Fue realizado conjuntamente por el Observatorio Astrofísico Smithsoniano y la Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio . El experimento envió un máser de hidrógeno —un estándar de frecuencia de alta precisión— al espacio para medir con alta 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 contracción de la longitud y dilatación del tiempo , ambos resultados predichos de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein . Debido a la curvatura del espacio-tiempo, un observador en la Tierra (en 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 (en un potencial gravitacional más alto). Este efecto se conoce como dilatación del tiempo gravitacional .
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 sistema de referencia en un campo gravitatorio uniforme es indistinguible de un sistema de referencia que está bajo aceleración uniforme. Además, el principio de equivalencia predice que el fenómeno de diferentes velocidades de flujo del tiempo, presente en un sistema de referencia que se acelera uniformemente, también estará presente en un sistema de referencia estacionario que se encuentra en un campo gravitatorio uniforme.
La sonda fue lanzada el 18 de junio de 1976 desde el Centro de Vuelo Wallops de la NASA en la isla Wallops, Virginia. La sonda fue transportada a través de un cohete Scout y alcanzó una altura de 10.000 km (6.200 mi), mientras permanecía en el espacio durante 1 hora y 55 minutos, como estaba previsto. Regresó a la Tierra amerizando en el océano Atlántico. [4]
El objetivo del experimento Gravity Probe A era comprobar 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 sistema de referencia acelerado que en un sistema de referencia sometido a la acción de un campo gravitatorio uniforme .
El principio de equivalencia se puede entender comparando un cohete en dos escenarios. Primero, imaginemos un cohete que está en reposo sobre la superficie de la Tierra; los objetos que se dejen caer dentro del cohete caerán hacia el suelo con una aceleración de9,8 m/s 2 . Ahora, imaginemos un cohete 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 el cohete que no estén restringidos se moverán hacia el suelo con una aceleración de9,8 m/s 2 . Este ejemplo muestra una forma en que un marco de referencia con aceleración uniforme es indistinguible de un marco 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. Consideremos un haz de luz que brilla horizontalmente a través de un cohete, que está acelerando. Según un observador no acelerado fuera del cohete, el piso del cohete acelera hacia el haz de luz. Por lo tanto, el haz de luz no parece viajar en una trayectoria horizontal según el observador interior, más bien el rayo de luz parece doblarse hacia el piso. Este es un ejemplo de un efecto inercial que hace que la luz se doble. El principio de equivalencia establece que este fenómeno inercial ocurrirá también en un marco de referencia gravitacional. De hecho, el fenómeno de lente gravitacional establece que la materia puede doblar la luz, y este fenómeno ha sido observado por el Telescopio Espacial Hubble y otros experimentos.
La dilatación del tiempo se refiere a la expansión o contracción de 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 transcurra más lentamente en las proximidades de un objeto masivo, en comparación con la velocidad que experimenta un observador distante. La métrica de Schwarzschild , que rodea a un cuerpo gravitatorio simétrico esférico, tiene un coeficiente menor a una distancia más cercana al cuerpo, lo que significa que el tiempo fluye más lentamente allí.
Existe una idea similar de la ocurrencia de la dilatación del tiempo en la teoría de la relatividad especial de Einstein (que no involucra ni la gravedad ni la idea del espacio-tiempo curvo). Dicha dilatación del tiempo aparece en las coordenadas de Rindler , asociadas a una partícula que acelera uniformemente en un espacio-tiempo plano. Tal partícula observaría que el tiempo pasa más rápido en el lado hacia el que está acelerando y más lentamente en el lado opuesto. A partir de esta aparente variación en el tiempo, Einstein dedujo que el cambio en la velocidad afecta la relatividad de la simultaneidad para 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 Gravity Probe A fue una prueba del principio de equivalencia, haciendo coincidir las observaciones en el marco de referencia inercial (de la relatividad especial) de la superficie de la Tierra afectada por la gravedad, con las predicciones de la relatividad especial para el mismo marco tratado como si estuviera acelerando hacia arriba con respecto a la referencia de caída libre, que puede considerarse inercial y sin gravedad.
ElSonda de gravedad de 60 kg Una nave espacial 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 (1.42 mil millones de ciclos por segundo), que es altamente estable: hasta una parte en un cuatrillón (1015 ). Esto equivale a un reloj que se desvía menos de dos segundos cada 100 millones de años. [5] Durante toda la misión se transmitió a la Tierra una señal de microondas derivada de la frecuencia del máser. La señal unidireccional recibida del cohete se desplazó por efecto Doppler relativista debido a la velocidad del cohete y, además, se desplazó por efecto Doppler azul gravitacionalmente en una cantidad mínima.
Además del máser de hidrógeno que transportaba el cohete, se utilizó otro máser de hidrógeno en tierra como fuente de transmisión continua de una señal de microondas al cohete. Un transpondedor de microondas transportado en el cohete devolvió la señal a la Tierra. En el camino hacia arriba, la señal recibida por el cohete sufrió un desplazamiento Doppler debido a la velocidad del cohete y un desplazamiento gravitacional hacia el rojo de una cantidad mínima. La señal del transpondedor recibida en tierra sufrió un desplazamiento Doppler debido a la velocidad del cohete y un desplazamiento gravitacional hacia el azul de la misma cantidad que el desplazamiento hacia el rojo en el camino hacia arriba. Dado que el desplazamiento Doppler gravitacional de las señales en el camino hacia arriba siempre cancelaba exactamente el desplazamiento Doppler gravitacional en el camino hacia abajo, el desplazamiento Doppler bidireccional de la señal recibida en tierra dependía únicamente de la velocidad del cohete.
En un mezclador de frecuencias de microondas , la mitad del desplazamiento Doppler bidireccional de la señal del máser terrestre transpondedo se restó del desplazamiento Doppler del máser espacial. De esta manera, el desplazamiento Doppler debido al movimiento de la nave espacial se anuló por completo, dejando 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 mi). A esta altura, la relatividad general predijo que un reloj debería funcionar a 4,5 partes en 1010 más rápido que uno en la Tierra, o aproximadamente un segundo cada 73 años. [6] Las oscilaciones del máser representaban los tictac 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.
El objetivo del experimento era medir la velocidad a la que pasa el tiempo en un potencial gravitatorio más alto, por lo que para probarlo 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 de la velocidad 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. Luego se compararon las dos velocidades de reloj y se compararon nuevamente 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 así comprobar el principio de equivalencia . La sonda de gravedad A confirmó la predicción de que, a mayor profundidad en el pozo de gravedad, el paso del tiempo es más lento [7] , y los efectos observados coincidieron con los efectos previstos con una precisión de unas 70 partes por millón.
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