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 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 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 efectos de contracción de longitud y dilatación del tiempo , ambos resultados predichos por 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 gravitacional 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 de tiempo, presentes en un sistema de referencia que se acelera uniformemente, también estará presente en un sistema de referencia estacionario que se encuentra 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 permaneció en el espacio durante 1 hora y 55 minutos, como estaba previsto. Regresó a la Tierra al caer en el Océano Atlántico. [4]
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 sistema de referencia en aceleración que en un sistema de referencia sobre el que actúa un campo gravitacional 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 lanzados dentro del cohete caerán hacia el suelo con una aceleración de9,8 m/ s2 . Ahora, imaginemos un cohete distante que ha escapado del campo gravitacional de la Tierra y acelera a una velocidad constante.9,8 m/s 2 debido al empuje de sus cohetes; Los objetos en el cohete que no están restringidos se moverán hacia el suelo con una aceleración de9,8 m/s 2 . Este ejemplo muestra una forma en que un sistema de referencia que se acelera uniformemente es indistinguible de un sistema de referencia gravitacional.
Además, el principio de equivalencia postula que los fenómenos causados por efectos inerciales también estarán presentes debido a efectos gravitacionales. Considere un rayo de luz que se proyecta horizontalmente sobre un cohete que está acelerando. Según un observador que no acelera desde el exterior del cohete, el suelo del cohete acelera hacia el haz de luz. Por lo tanto, según el observador interior, el rayo de luz no parece viajar en una trayectoria horizontal, sino que parece inclinarse hacia el suelo. Este es un ejemplo de un efecto inercial que hace que la luz se desvíe. 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 Espacial Hubble y otros experimentos.
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 las proximidades de un objeto masivo, en comparación con el ritmo experimentado por un observador distante. La métrica de Schwarzschild , que rodea un cuerpo gravitante esféricamente simétrico, tiene un coeficiente más pequeño cuando está más cerca del cuerpo, lo que significa una velocidad de flujo de tiempo más lenta allí.
Existe una idea similar de la 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). Esta dilatación del tiempo aparece en las coordenadas de Rindler , unidas a una partícula que se acelera uniformemente en un espacio-tiempo plano. Una partícula así observaría que el tiempo pasa 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 de la partícula. El principio de equivalencia de Einstein generaliza esta analogía, afirmando que un sistema de referencia en aceleración es localmente indistinguible de un sistema de referencia inercial sobre el que actúa una fuerza de gravedad. De esta manera, la Gravity Probe A fue una prueba del principio de equivalencia, haciendo coincidir las observaciones en el marco de referencia inercial (de relatividad especial) de la superficie de la Tierra 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.
ElSonda de gravedad de 60 kg Una nave espacial albergaba un sistema máser de hidrógeno atómico . Maser es un acrónimo de amplificación de microondas mediante 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: una parte en un cuatrillón (1015 ). Esto equivale a un reloj que se adelanta menos de dos segundos cada 100 millones de años. [5] Una señal de microondas derivada de la frecuencia máser se transmitió a tierra durante toda la misión. La señal unidireccional recibida del cohete tenía un desplazamiento Doppler relativista debido a la velocidad del cohete y, además, un desplazamiento Doppler gravitacional hacia el azul en una cantidad diminuta.
Además del máser de hidrógeno transportado por 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 que llevaba el cohete devolvió la señal a la Tierra. En el camino hacia arriba, la señal recibida por el cohete tenía un desplazamiento Doppler debido a la velocidad del cohete y un desplazamiento gravitacional al rojo de un minuto. La señal del transpondedor recibida en tierra tenía un desplazamiento Doppler debido a la velocidad del cohete y un desplazamiento gravitacional hacia el azul en la misma cantidad que un 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 en ambos sentidos de la señal recibida en tierra dependía sólo de la velocidad del cohete.
En un mezclador de frecuencia de microondas , la mitad del desplazamiento Doppler bidireccional de la señal del máser terrestre transpondida se restó del desplazamiento Doppler del máser espacial. De esta manera, el desplazamiento Doppler debido al movimiento de la nave espacial fue completamente anulado, dejando sólo el componente gravitacional del desplazamiento Doppler.
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 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 gravitacional más alto, por lo que para probar esto se comparó el máser de la sonda con un máser similar que permaneció en la Tierra. [p 1] 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 fue enviado 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 aún más con las predicciones teóricas de cómo deberían diferir las dos velocidades de reloj. La estabilidad del máser permitió medir los cambios en la velocidad del máser de 1 parte en 10.14 para una medición de 100 segundos.
De este modo, el experimento pudo comprobar el principio de equivalencia . Gravity Probe A confirmó la predicción de que a mayor profundidad en el pozo de gravedad, 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.
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