时钟,重力和相对论的极限

一百年前的今天,爱因斯坦的引力理论首次受到考验,当时亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)在日食期间观察到了太阳周围“弯曲”的光。一个世纪后,科学家们仍在寻找理论的极限。

在蓝色行星地球前面的发光的银色圆柱形太空飞船。

2013年7月9日,欧洲航天局宇航员卢卡·帕米塔诺(Luca Parmitano)在欧洲哥伦布太空实验室拍摄了这张照片。 欧空局/美国宇航局.

通过ESA

国际空间站将托管有史以来最精确的时钟离开地球。精确到3亿秒的时钟将推动时间的测量,以检验相对论和我们对重力的理解的极限。

爱因斯坦的广义相对论预言重力和速度会影响时间;您行进得越快,时间就越慢,但是引力越重,您的时间就越慢。

一个白色的圆圈,周围都是黑色光线的不均匀区域,全部位于灰色背景上。

1919年日食的负片。图片来自皇家天文学会。

1919年5月29日,爱因斯坦的理论首次经受考验 亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)观察到太阳周围的光线“弯曲” 在日食期间。四十年后, 磅Rebka实验 首先在实验室中测量了重力引起的红移效应,但是一个世纪后,科学家们仍在寻找该理论的极限。

路易吉·卡西亚普蒂欧洲航天局(ESA)的太空原子钟(ACES)项目科学家解释说:

相对论从大尺度上描述了我们的宇宙,但是在无限小尺度的边界上,该理论并没有成为吉卜赛人,它仍然与量子力学相矛盾。今天尝试统一广义相对论和量子力学的尝试预言了对爱因斯坦等效原理的违反。

爱因斯坦的原理详述了重力如何干扰时间和空间。它最有趣的表现之一是由于引力引起的时间膨胀。通过比较不同高度的时钟(例如在高山,山谷和太空中的时钟)已证明了这种效果。高海拔的时钟显示时间相对于地球上的时钟而言更快’的表面,因为地球离地球的引力越小,离地球越远。

太空中的原子钟组件在太空站上以250英里(400公里)的高度飞行,将进行比以往任何时候都更精确的测量。

身穿实验室外套,发网和白色手套的人握住大型金属结构。

ACES时钟。图片通过 中国国家科学院.

时钟网

ACES将建立一个“时钟网络”,连接世界上最精确的原子钟,并将其与人类失重实验室中的原子钟进行比较,因为它飞过头顶。

将时间进行比较以达到数百飞秒(十亿分之一秒的百万分之一)的稳定性,就需要采用能够突破当前技术极限的技术。 ACES有两种时钟传输数据的方式,即微波链路和光链路。当定时信号向上到达空间站并且向下返回地球时,这两个连接在地面站和空间终端之间交换双向定时信号。

这种设置所提供的前所未有的准确性为ACES实验带来了一些好处。地面时钟之间将进行比较,以提供对地势差异的本地测量,从而帮助科学家研究我们的星球及其重力。

激光和微波链路的频率将有助于了解光波和无线电波如何通过对流层和电离层传播,从而提供有关气候的信息。最后,时钟网络将使科学家能够在全球范围内分配时间并同步其时钟,以进行大规模的基于地球的实验以及需要精确计时的其他应用。

发光的圆柱形太空飞船,附有黑色框的金盒。

带有ACES的哥伦布模块。图片通过 ESA–D。杜克罗斯。

路易吉说:

我们正在开发的下一代原子钟和链接技术有一天可以用来观测引力波本身,正如ESA提出的那样 LISA任务,但现在ACES将帮助我们尽我们所能测试爱因斯坦的广义相对论,寻找微小的违规现象,如果发现这些违规现象,可能会为必将出现的新的物理学理论打开一扇窗户。

时钟已经过测试,并已集成到ACES有效负载上,并且在最终与完整实验集成之前,正在对ACES的微波链路进行测试。 ACES将准备在2020年发射到空间站。

Bottom line: Einstein’亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)观察到光时,首先对重力理论进行了检验“bending”日食时围绕太阳。一个世纪后,科学家们仍在寻找理论的极限。

埃莉诺·英斯特