Einstein váltás

A vöröseltolódás gravitációs mondta műszak Einstein , milyen hatása van megjósolta az egyenleteket Albert Einstein az általános relativitáselmélet . Ezen elmélet szerint a gravitációs térben előállított frekvenciát vöröseltolódásnak (azaz csökkenésnek ) tekintik , ha azt egy kisebb gravitációs helyről megfigyelik.

Ennek a frekvenciaeltolódásnak az oka a gravitáció által létrehozott idő tágulás . De egy másik magyarázatot adhat a gravitáció miatti hosszúság összehúzódása , amelyet a hullámhosszakra alkalmaznak . Ez a két magyarázat ekvivalens, mert a tér-idő intervallum megőrzése megmutatja e két jelenség ekvivalenciáját.

Ide helyezzük magunkat abban a konkrét esetben, amikor a gravitációs mező csak egyetlen, többé-kevésbé pontos testnek köszönhető, amely lehetővé teszi a Schwarzschild-mutató alkalmazását . Az általános eset nem sokkal bonyolultabb, és bármely hivatkozott könyvben megtalálható.

Történelmi

A névadó a Einstein hatása semmi, Albert Einstein (1879-1955), aki azt javasolta 1907. Először Walter Sydney Adams amerikai csillagász figyelte meg (1876-1956) ban ben 1925a Sirius B- től kapott fény spektrális vonalai eltolódásának mérésével . Ezután kiemelte a kísérlet a Robert Pound (1916-2010) és Glen Rebka (1931-2015) ban ben 1959.

Egyszerűsített érv

Ebben a könyvben Black Holes and Time torzulások , Kip Thorne arra, hogy bár Einstein fedezték fel a gravitációs váltás révén komplex gondolkodásért, később javasolt világosabb érvelés alapján egy gondolat kísérlet két órát elhelyezni egy. Belmagasság szobában . Ez az érvelés a következő: az egyik órát madzaggal kötik a mennyezetre, a másikat a padlón lévő lyuk mellé helyezik. Amikor minden órát egy megfelelő pillanatban leejtünk, a kísérlet visszahozható egy inerciális referenciakeretbe , amelyben az órák sebességének időbeli alakulása csak az integráció állandójától függ. $h$

Az alkatrészhez rögzített referenciakeretben és a gravitáció mérésének figyelembevételével a lyukba eső óra sebessége felírható úgy, hogy időbeli eredetnek vesszük azt a pillanatot, amikor a lyukba tolják. A mennyezetről leeső óra sebessége akkor írható fel, ha a húrja éppen abban a pillanatban van elvágva, amikor az óráról a padlóról érkező fényjel érkezik a mennyezetig. $g$ ${\ displaystyle -gt}$ ${\ displaystyle -gt + gh / c}$ ${\ displaystyle t = h / c}$

A mennyezetről leeső órához viszonyított rögzített inerciális viszonyítási keretben a lyukba eső óra állandó sebességgel távolodni látszik , ami azt jelenti, hogy vöröseltolódású Doppler-hatást kell mutatnia , amelyet Einstein úgy értelmez, hogy előírja hogy a lyukba eső óra lassabban mozog, mint a mennyezetről zuhanó óra. ${\ displaystyle gh / c}$

A Doppler-effektus magában foglalja a frekvenciaváltozást, amely arányos a terjedési sebességre csökkentett sebességkülönbséggel. Ezért el kell osztanunk az órák látszólagos relatív sebességét a frekvenciaarány megszerzéséhez, amely a galilei közelítésben megadja: $vs.$

{\ displaystyle {\ frac {\ Delta f} {f}} = \ pm {\ frac {gh} {c ^ {2}}}}

Az érvelés az órák leesésének időtartamától függetlenül érvényes marad, ezért még akkor is, ha ez az időtartam végtelenül kicsi , ez lehetővé teszi a következtetés kiterjesztését a rögzített órákra is.

Gravitáció és tiszta idő

Általában a relativitáselméletnél a gömbszimmetriával a masszív testre központosított Schwarzschild metrika segítségével az időkoordinátának együtthatója megegyezik

${\ displaystyle g_ {00} = 1 - {\ frac {2GM} {rc ^ {2}}}}$ ,

a G a gravitációs állandó , c a fény sebessége , M a tömege a test kialakítása gravitációs potenciális, és, r a sugárirányú koordinátája pont (fizikai) térben tekinthető.

Megjegyezve a referencia-keret (fizikai) terének ugyanabban a pontjában bekövetkező két esemény közötti megfelelő időt , és figyelembe véve az időbeli koordináták változását ebben a metrikában (amely megfelel annak az időnek, amelyet egy hipotetikus megfigyelő, akinek nincs kitéve a gravitációs mező), és e két esemény között: ${\ displaystyle \ \ mathrm {d} \ tau}$ $\ {\ mathrm d} t$

${\ displaystyle \ mathrm {d} s ^ {2} \ equiv c ^ {2} \ mathrm {d} \ tau ^ {2} = g_ {00} c ^ {2} \ mathrm {d} t ^ {2 }}$ ,

Megjegyezve a Schwarzschild-sugár , mi ${\ displaystyle R_ {S} = {\ frac {2GM} {c ^ {2}}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {d} \ tau = {\ sqrt {1 - {\ frac {R_ {S}} {r}}}} \ mathrm {d} t <\ mathrm {d} t}$ .

A megfigyelt időintervallum tehát nagyobb, mint a megfelelő időintervallum. Ezt a jelenséget gravitációs eredet idő dilatációjának nevezzük .

Abban az esetben (gyenge gravitációs tér) írhatunk ${\ displaystyle {\ frac {R_ {S}} {r}} \ ll 1}$

${\ displaystyle \ mathrm {d} \ tau = {\ sqrt {1 - {\ frac {R_ {S}} {r}}}} \ mathrm {d} t \ kb \ balra (1 - {\ frac {R_ {S}} {2r}} \ jobbra) \ mathrm {d} t <\ mathrm {d} t}$ .

Természetes gyakoriság és megfigyelt gyakoriság

A frekvencia mérésére események száma egységnyi idő alatt, a természetes frekvencia és a megfigyelt gyakoriság . Hangsúlyozottan: . A megfigyelt frekvencia ezért alacsonyabb, mint a természetes frekvencia. ${\ displaystyle \ N}$ ${\ displaystyle \ omega _ {0} = {\ frac {dN} {d \ tau}}}$ ${\ displaystyle \ omega = {\ frac {dN} {dt}}}$ ${\ displaystyle \ omega = \ omega _ {0}. {\ sqrt {1 - {\ frac {R_ {S}} {r}}}} <\ omega _ {0}}$

De az eddig figyelembe vett megfigyelt gyakoriság a referencia-keret idejéhez kapcsolódik, ideális és nem befolyásolja a gravitációs mező. A valóság általában az, hogy a megfigyelő maga is gravitációs mezőnek van kitéve. Ebben az esetben a megfigyelő által mért frekvencia figyelembevételével ezt meg kell írnunk ${\ displaystyle 1 - {\ frac {R_ {S}} {r '}} \,.}$ ${\ displaystyle \ \ omega _ {1}}$ ${\ displaystyle \ omega = \ omega _ {1}. {\ sqrt {1 - {\ frac {R_ {S}} {r '}}}} = \ omega _ {0}. {\ sqrt {1- { \ frac {R_ {S}} {r}}}} \ ,,}$ ${\ displaystyle \ omega _ {1} = \ omega _ {0}. {\ frac {\ sqrt {1 - {\ frac {R_ {S}} {r}}}} {\ sqrt {1 - {\ frac {R_ {S}} {r '}}}}} \,.}$

Abban az esetben, ha és (gyenge gravitációs mezők) írhatunk ${\ displaystyle \ textstyle {\ frac {R_ {S}} {r}} \ ll 1}$ ${\ displaystyle \ textstyle {\ frac {R_ {S}} {r '}} \ ll 1}$ ${\ displaystyle \ omega _ {1} \ kb \ omega _ {0}. \ bal (1 + {\ frac {R_ {S}} {2r '}} - {\ frac {R_ {S}} {2r} } \ jobb) \ ,.}$

Tehát ha , azaz, ha a megfigyelő messzebb a hatalmas test, vagy ha ő van kitéve kisebb gravitáció. ${\ displaystyle \ \ omega _ {1} <\ omega _ {0}}$ ${\ displaystyle \ r '> r}$

Ebben az esetben a megfigyelt frekvencia kisebb, mint a természetes frekvencia; ha ez egy fényfrekvencia, akkor a fény vöröseltolódni látszik . Abban az esetben, ha a megfigyelő gravitációs tere nagyobb, mint a frekvencia kibocsátásának helye, a frekvenciaeltolódás kék felé mutat .

Lev Landau elmagyarázza, hogy a gravitáció nem változtatja meg sem a természetes időt, sem a természetes frekvenciát, hanem az, hogy az emitter és a megfigyelő közötti gravitációs különbség azt jelenti, hogy ez utóbbi csak akkor érheti el ugyanazokat a méréseket, ha ott volt.

Kísérleti megerősítések

1959-ben a Pound-Rebka kísérlet sikeresen megerősítette ezt az előrejelzést a Mössbauer-effektus alkalmazásával a Harvard Egyetem tornyának 22,6 méteres magasságkülönbségén .

Azóta ezt a hatást alkalmazzák a csillagok elektromágneses spektrumának értelmezésében . A gravitációs elmozdulásnak a vörös vagy az Einstein-eltolódás felé megfigyelhetővé kell válnia az S0-102 csillagon . 2018-ban a VLT-n megrendelt gravitációs interferometrikus készülék vörös frekvenciaeltolódást mutatott, összhangban az S2 csillagra vonatkozó általános relativitáselmélet elméletével .

2018-ban meg lehetett mérni Einstein eltolását, az elméletnek megfelelő eredménnyel, a Galileo program két elliptikus pályájú műholdját felhasználva egy indítási problémát követően.

A 2018 , ez az elmozdulás volt megfigyelhető erős gravitációs mezőben a csillag S2 közelében elhaladó a hatalmas fekete lyuk társított fényforrás Sgr A * .

Megjegyzések és hivatkozások

Taillet, Villain és Febvre 2018 , sv Einstein (effektus), p. 249, oszlop 2 .
Taillet, Villain és Febvre 2018 , sv Einstein (effektus), p. 250, oszlop 1 .
Kip Thorne fekete lyukak és időtorzulások 2. fejezet, 2-4. Doboz "Gravitációs idő tágulása"
Mi is képzelni, hogy az óra az előrejelzések felfelé az alján a lyukat, hogy a tetőpont röppálya egybeesik 0 időpontban a kívánt pozícióban a földön
A hipotézis a Schwarzschild-sugár bevezetéséhez vezet, és feltételezi, hogy ez a mutató fizikailag érvényes legyen. ${\ displaystyle g_ {00}> 0}$ ${\ displaystyle \ textstyle R_ {S} = {\ frac {2GM} {c ^ {2}}}}$ ${\ displaystyle \ r> R_ {S}}$
Lev Landau és Evgueni Lifchits , elméleti fizika , t. 2: Mezőelmélet [ a kiadások részlete ], 88. §.
(in) RV font , " Gravitációs vöröseltolódás a nukleáris rezonanciában " , Physical Review Letters , vol. 3, n o 9, 1 e 1959 novemberében o. 439–441 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.3.439 , online olvasás , hozzáférés: 2006. szeptember 23. )
(a) R. Abuter et al. (GRAVITY együttműködés), „ A gravitációs vöröseltolódás detektálása az S2 csillag pályáján a Galaktikus Központ hatalmas fekete lyuk közelében ” , Astronomy and Astrophysics , vol. 615,2018. július, P. 1-10, elem n o L15 ( DOI 10,1051 / 0004-6361 / 201.833.718 , olvasható online [PDF] ).
(en) Pacome DELVA, Puchades N. et al. , „ Gravitációs vöröseltolódási teszt excentrikus Galileo műholdak segítségével ” , Physical Review Letters , American Physical Society , vol. 121,2018. december 4( online olvasás ).
Gravitációs együttműködés , A gravitációs vöröseltolódás észlelése az S2 csillag pályáján a Galaktikus Központ hatalmas fekete lyuk közelében , 2018. DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201833718

Lásd is

Bibliográfia

Lev Landau és Evgueni Lifchits , elméleti fizika , t. 2: Mezőelmélet [ a kiadások részlete ]
Jean-Claude Boudenot; Relativisztikus elektromágnesesség és gravitáció , Ellipse (1989), ( ISBN 2729889361 )
[Gourgoulhon 2010] Éric Gourgoulhon ( pref. Of Thibault Damour ), Korlátozott relativitáselmélet: részecskéi a asztrofizika , Les Ulis és Párizs, EDP Sciences és CNRS , Coll. "Jelenlegi ismeretek / fizika",2010. május, 1 st ed. , 1 köt. , XXVI -776 p. , beteg. és ábra. , 15,5 × 23 cm ( ISBN 978-2-7598-0067-4 és 978-2-271-07018-0 , EAN 9782759800674 , OCLC 690.639.994 , nyilatkozat BNF n o FRBNF41411713 , SUDOC 14466514X , online bemutatót , olvasni vonal ) , pasas. 22 , szekta. 22.2. , 22.2.2. § („Einstein-effektus és összeférhetetlenség a Minkowski-mutatóval”) és 22.2.3 . Bekezdés („Az Einstein-effektus kísérleti igazolása”), p. 710-713.
[Spagnou 2015] Pierre Spagnou , „ Az egyenértékűség elve és az Einstein-effektus ”, Bibnum ,2015. május, 26 p. ( összefoglaló , online olvasható ).
[Spagnou 2017] Pierre Spagnou , Az idő rejtelmei: Galileótól Einsteinig , Párizs, CNRS , koll. "A tudományos bankett",2017. jan, 1 st ed. , 1 köt. , 277 o. , beteg. 15 × 23 cm-es ( ISBN 978-2-271-08911-3 , EAN 9782271089113 , OCLC 973.489.513 , utasításokat BNF n o FRBNF45206523 , SUDOC 198 491 859 , az online prezentáció , olvasható online ) , 4 -én nap, CHAP. 5. („Az Einstein-effektus”), p. 176-192.
[Taillet, Villain és Febvre 2018] Richard Taillet , Loïc Villain és Pascal Febvre , Fizikai szótár , Louvain-la-Neuve, De Boeck Supérieur , koll. ,2018. jan, 4 th ed. ( 1 st ed. 2008. május), 1 köt. , X -956 p. , beteg. , ábra. és grafikon. 17 × 24 cm-es ( ISBN 978-2-8073-0744-5 , EAN 9782807307445 , OCLC 1022951339 , értesítést BNF n o FRBNF45646901 , SUDOC 224.228.161 , online prezentáció , olvasható online ) , sv Einstein (hatás), p. 249-250.

Kapcsolódó cikkek