Ure, tyngdekraft, og relativitetens grænser

Den internationale rumstation vil være vært for de mest præcise ure, der nogensinde har forladt Jorden. Nøjagtigt til et sekund på 300 millioner år vil urene skubbe måling af tid for at teste grænserne for relativitetsteorien og vores forståelse af tyngdekraften.

Albert Einsteins generelle relativitetsteori forudsagde, at tyngdekraften og hastigheden påvirker tiden, jo hurtigere du rejser jo mere går tiden langsommere, men også jo mere tyngdekraften trækker på dig, jo mere bremser tiden.

Den 29. maj 1919 blev Einsteins teori først sat på prøve, da Arthur Eddington observerede lys "bøje" rundt om Solen under en solformørkelse. Fyrre år senere, Pound-Rebka-eksperimentet målte først rødforskydningseffekten forårsaget af tyngdekraften i et laboratorium-men et århundrede senere søger forskere stadig efter teoriens grænser.

"Relativitetsteorien beskriver vores univers i stor skala, men på grænsen til den uendeligt lille skala jibber teorien ikke, og den forbliver inkonsekvent med kvantemekanik, "forklarer Luigi Cacciapuoti, ESA's projektforsker for Atomic Clock Ensemble in Space (ACES). "Dagens forsøg på at forene generel relativitet og kvantemekanik forudsiger krænkelser af Einsteins ækvivalensprincip."

Einsteins princip beskriver, hvordan tyngdekraften forstyrrer tid og rum. En af dens mest interessante manifestationer er tidsudvidelse på grund af tyngdekraften. Denne effekt er blevet bevist ved at sammenligne ure i forskellige højder såsom på bjerge, i dale og i rummet. Ure i højere højde viser, at tiden går hurtigere med hensyn til et ur på jordoverfladen, da der er mindre tyngdekraft fra Jorden, jo længere du er fra vores planet.

Flyver i 400 km højde på rumstationen, Atomic Clock Ensemble in Space vil foretage mere præcise målinger end nogensinde før.

Internettet af ure

ACES vil oprette et "internet af ure", forbinder de mest præcise atomure verden over og sammenlign deres tidtagning med dem på menneskehedens vægtløse laboratorium, mens det flyver over hovedet.

At sammenligne tid ned til en stabilitet på hundredvis af femtosekunder - en milliontedel af en milliarddel af et sekund - kræver teknikker, der skubber grænserne for den nuværende teknologi. ACES har to måder, hvorpå urene kan overføre deres data, et mikrobølgelink og et optisk link. Begge forbindelser udveksler to-vejs timingsignaler mellem jordstationerne og rumterminalen, når timingsignalet leder opad til rumstationen, og når det vender tilbage til jorden.

Den hidtil usete nøjagtighed, denne opsætning giver, giver nogle gode bonusser til ACES -eksperimentet. Ure på jorden vil blive sammenlignet indbyrdes med lokale målinger af geopotentiale forskelle, hjælpe forskere med at studere vores planet og dens tyngdekraft.

Frekvenserne for laser- og mikrobølgeforbindelserne hjælper med at forstå, hvordan lys og radiobølger formerer sig gennem troposfæren og ionosfæren og dermed giver information om klimaet. Endelig, Internettet for ure giver forskere mulighed for at distribuere tid og synkronisere deres ure verden over for store jordbaserede eksperimenter og for andre applikationer, der kræver præcis timing.

"Den næste generation af atomure og de linkteknikker, vi udvikler, kan en dag bruges til selv at observere gravitationsbølger som ESA's foreslåede LISA-mission, "tilføjer Luigi, "men lige nu hjælper ACES os med at teste så godt vi kan Einsteins generelle relativitetsteori, søger efter små krænkelser, der, hvis fundet, måske åbne et vindue til en ny teori om fysik, der skal komme. "

Uret er blevet testet og integreret på ACES nyttelast, og mikrobølgeforbindelsen til ACES er under test før den endelige integration med det fulde eksperiment. ACES vil være klar til lancering til rumstationen i 2020.