Avanceret atomur på rumstation skal teste Einsteins teorier

Holder Einsteins generelle relativitetsteori? Om tre år får vi måske svaret, når et avanceret atomur sendes op til Den Internationale Rumstation.

Atomuret skal gøre det muligt at teste relativitetsteorien med ekstrem nøjagtighed og desuden undersøge spekulative teorier om en variation af naturkonstanter.

Den europæiske rumfartsorganisation ESA har netop indgået en aftale med franske rumorganisation CNES om udvikling af et nyt atomur Pharao (Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite).

Det skal sammen med en Space Hydrogen Maser (SHM) udgøre ESA's Atomic Clock Ensemble in Space (ACES). Konceptet for SHM er udtænkt af Observatoire Cantonal de Neuchâtel i Schweiz.

SHM har en god korttidsstabilitet og Pharao en god langtidsstabilitet. Tilsammen får ACES dermed en relativ nøjagtighed på 10^-16 eller en nøjagtighed på et sekund pr. 300 millioner år.

ACES skal efter planen opsendes i 2013 til rumstationen, hvor det vil blive monteret uden på det europæiske rumlaboratorium Columbus. ACES er designet til at have en levetid i rummet på tre år.

Der er endvidere udviklet en speciel mikrobølgeforbindelse til at overføre data fra ACES til jorden med stor nøjagtighed.

Test af Einsteins teorier

ACES skal blandt andet bruges til teste flere fundamentale fysiske principper.

Elektromagnetisk stråling i et gravitationspotentiale vil for en iagttager i et andet gravitationspotentiale have en anden frekvens. Denne såkaldte Einstein-effekt kan ACES måle med en relativ nøjagtighed på 3 x 10^-6. Det er en forbedring på 25 gange i forhold til tidligere målinger.

Finstrukturkonstanten alfa, der er et dimensionsløs tal, som afhænger af naturkonstanten som elektronens ladning og lysets hastighed, skal ikke variere med tiden i henhold til Einsteins teorier.

Alligevel har en del forskere spekuleret på om, finstrukturkonstanten har ændret størrelse i Universets levetid og fremlagt kontroversielle målinger, der kunne tyde på, at det er tilfældet. Ved at sammenligne ACES med andre atomure kan man opnå en forbedring på 100 gange i målinger af eventuelle variationer i finstrukturkonstanten

ACES kan også teste den specielle relativitetsteori mod konkurrerende teorier med større nøjagtighed end tidligere.

Dokumentation

ACES 1
ACES 2
Pharao

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

-- Spændende! -- Det bliver spændende at følge tids-målingerne på ACES sammenlignet med tilsvarende tids-målinger på atom-ure placeret på Jorden.

-- Kan forsøget måle om G varierer? -- Så vidt jeg umiddelbart vurderer det, kan eksperimentet ikke måle om Newtons gravitations-konstant G varierer, hvilket den i Einsteins generelle relativitetsteori antages ikke at gøre.

-- Venter på G-variations-forsøg! -- Jeg venter således på endnu mere fintfølende lokale eksperimenter, der skal kunne måle om G varierer, denne fysiske størrelse, der er målt med mindst nøjagtighed.

Godt nyt år 2010!

Hilsen fra Louis Nielsen

  • 0
  • 0

Øh....to spørgsmål: Første Spørgsmål: Hvis Pharao er det mest nøjagtige ur i verden, hvorfra kender man så dets nøjagtighed ? Andet spørgsmål: Er Einsteins relativitetesteorier ikke for længst blevet eftervist eksperimentelt ? Jeg har læst Louis Nielsens indlæg efter bedste evne, men er der virkelig noget i Einsteins værker, vi ikke har bevis for endnu efter 100+ år ?

  • 0
  • 0

Carsten, du spørger: ”Er Einsteins relativitetsteorier ikke for længst blevet eftervist eksperimentelt?”

Svaret på dit spørgsmål er: Nej! Einsteins teorier (bl.a. hans generelle relativitetsteori fra 1915, der er en geometrisk matematisk model for tyngde-virkninger) er ikke endegyldigt og entydigt bekræftet, bl.a. fordi man kan komme til lignende effekter, og formler for disse, på andre måder (som det følgende viser) end det er foreslået og gjort af Einstein.

-- Formel for bølgelængde-forskydning i et gravitationsfelt -- Undertegnede har for snart 40 år siden vist (på en anden måde end Albert Einstein), hvordan bølgelængden af elektromagnetiske bølger udsendt fra et atom, afhænger af størrelsen af det gravitationsfelt, hvori atomet befinder sig. De udledte formler svarer nogenlunde til dem, som Einstein udledte i den generelle relativitetsteori, dog med den (gode) forskel, at der ikke optræder singularitets-problemer (dvs. hvor matematikken i ligningerne bryder sammen i et uendeligheds-problem).

Formel-udledninger kan studeres i artiklen på linket: http://louis.rostra.dk/kvant_07.html

-- Bølgelængde-forskel mellem jordoverfladen og Den Internationale Rumstation -- Jeg har beregnet, hvor stor den relative bølgelængde-ændring er for de bølger, der udsendes fra to identiske atomer, der foretager kvante-spring mellem ensartede energi-niveauer, men hvor det ene atom befinder sig på jordens overflade i en afstand R(1) = 6370 km fra jordens centrum og, hvor det andet atom befinder sig på Den Internationale Rumstation, der befinder sig i gennemsnit 370 km over jordens overflade, svarende til en afstand R(2) = 6740 km fra jordens centrum.

Jeg har omskrevet en formel fra ovennævnte artikel, således at vi har følgende:

(1) (L(2) – L(1))/L(1) = (1/R(1) – 1/R(2))/(c^2/(G*M) – 1/R(1))

I formel (1) betyder størrelserne: L(1) er bølgelængden for atomet i afstanden R(1) og L(2) er bølgelængden for atomet i afstanden R(2). Størrelsen c er lysets hastighed i såkaldt vakuum, G er Newtons gravitationskonstant (der her antages konstant) og M er jordens masse. Størrelsen (L(2) – L(1))/L(1) angiver den relative bølgelængde-ændring.

I øvrigt: Størrelsen c^2/(G*M) = 2/R(s), hvor R(s) er lig med den såkaldte Schwarzschild-radius for massen M.

-- Beregning af den relative bølgelængde-ændring -- Med kendte talværdier for størrelserne på højre side af ligning (1) fås følgende talværdi for den relative bølgelængde-ændring:

(2) (L(2) – L(1))/L(1) = 3,8*10^(-11)

Afrundet fås: (L(2) – L(1))/L(1) = 4*10^(-11)

Ved isolation af L(2) får vi denne udtrykt ved L(1):

(3) L(2) = L(1)(1 + 410^(-11))

-- Større bølgelængde i svagere gravitationsfelt -- Vi ser, at L(2) kun er meget lidt større end L(1). Det foregående, og udledningerne i ovennævnte artikel, viser, at bølgelængder af elektromagnetiske bølger er større i områder med mindre tyngdekræfter end i områder med større tyngdekræfter!

-- Kan ovenstående bekræftes? – Det kunne være interessant, om det planlagte forsøg med ACES kan bekræfte ovenstående! Hvis ja, så er det uheldigt for Einsteins generelle relativitetsteori!

-- Bølgeudbredelse i kosmisk partikel-medium? -- At bølgelængden af elektromagnetiske bølger afhænger af gravitationsfeltet i det område, hvor bølgeudbredelsen foregår, kan måske forklares med, at bølgeudbredelsen foregår som svingnings-udbredelser i et kosmisk partikel-medium af varierende tæthed? Et kosmisk partikel-medium som også er årsag til det, vi kalder gravitations-kræfter?

Hilsen fra Louis Nielsen

  • 0
  • 0

Andet spørgsmål: Er Einsteins relativitetesteorier ikke for længst blevet eftervist eksperimentelt ?

Det er for længst blevet eftervist eksperimentelt at der helt sikkert er noget om snakken, og de to relativitetsteorier er bekræftet med høj præcision. Men samtidig ved man at det ikke kan være hele historien, da den almene relativitetsteori ikke kan snakke fornuftigt sammen med kvantefeltteorien (som er den til dato mest præcist efterviste teori). Derfor er det spændende at - ved at måle præcist nok - måske at kunne finde en revne i den almene relativitetsteori, en revne der muligvis kan give et fingerpeg om i hvilken retning den næste, mere "rigtige" fysiske teori skal findes.

  • 0
  • 0

Jeg kom til at tænke på, at et er tid, og noget andet er observation af tid.

I det her tilfælde tænker jeg på, at der en en 'giver', og en 'modtager'.

Hvad nu hvis vi antager at udbredelse af bølger foregår i 'noget', som vi ikke kender, og at den observerede tid er et resultat af en rød(blå forskydning i dette 'noget'.

Nu kender jeg ikke konstruktionen af disse 'givere' og 'modtagere', men det kunne være interessant om man havde to modsat rettede 'givere' og 'modtagere' for at se om tidsopfattelsen er ens.

Jeg tænker på en kronstruktion som (ca): G -~-> M hvor der er en given afstand mellem G(giver) og M(modtager).

Sætter man så to modsat rettede(identiske) apperater op, hvor: 1) G -~-> M og 2) M <-~- G vil man hurtigt få be/afkræftet teorier om udbredelse af felter i 'det tomme rum'.

Hvis begge er ens, er udbredelsen konstant, men hvis der er en afvigelse, må man finde en forklaring på det.

  • 0
  • 0

Skal dette eksperiment vise mere end hvad man ved fra GPS-satelitters ures "unøjagtighed"?

Fra et indlæg på videnskab.dk af Louis Nielsen

Tids-korrektion for bevægelse og tyngdevirkning

For en satellit, der bevæger sig i en cirkulær bane, der befinder sig 20000 km over Jorden, og som bevæger sig med en fart af 14000 km/time, gælder følgende tidsforskelle mellem atom-ure i satellitten og atom-ure på Jorden:

Hastigheds-tidseffekten: Et atom-ur i satellitten går omkring 7 mikrosekunder (dvs. 7 milliontedel af et sekund) langsommere for hvert 1 døgn, der går på et atom-ur, der er i hvile i forhold til Jorden.

Tyngde-tidseffekten: Et atom-ur i satellitten, der befinder sig i et område med en mindre tyngdekraft, går omkring 45 mikrosekunder hurtigere for hvert 1 døgn, der går på et atom-ur på Jorden.

Korrektion på 38 mikrosekunder

Når der er gået 1 døgn på et atom-ur på Jorden, så er der gået 1 døgn og 38 mikrosekunder på atom-urene i satellitterne.

  • 0
  • 0

Det forekommer mig, at jeg kan erindre, at man allerede for mange år siden sendte et såkaldt atom ur op i en satelit og fastslog at det mistede ( eller vandt ) tid.

Det var vist russerne der gjorde det?

  • 0
  • 0

Det forekommer mig, at jeg kan erindre, at man allerede for mange år siden sendte et såkaldt atom ur op i en satelit og fastslog at det mistede ( eller vandt ) tid.

Det har man gjort gentagne gange, ikke mindst med alle GPS og GLONASS satelitternes Cs og Rb frekvensnormaler.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Nu er atomure lidt af en fransk specialitet og Frankrig er (sammen med Tyskland) langt den største bidragsyder til ESA, og med et stort selvstændigt rumprogram - så mon ikke det også spiller lidt ind i beslutningen. Desuden vil Pharoa, vist alt går som planlagt, være mange gange bedre end de atomure, der tidligere har været testet i rummet.

  • 0
  • 0

Nu er atomure lidt af en fransk specialitet[...]

Que ?

Atomfrekvensnormalen er opfundet af en USAner, første gang bygget af en Englænder og mig bekendt har Frankrig aldrig udmærket sig i branchen på nogen måde.

Atomfrekvensnormalerne til Galileo og ISS er alle bygget i Schweiz.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Rolig, rolig P-H.

Jeg skrev jo ikke, at franskmændende var først eller nødvendigvis bedst med atomure. Men det franske rumagentur CNES har dog haft Pharao i overvejelserne siden begyndelserne af 1990'erne. Og de skriver selv følgende

The idea of placing a laser-cooled caesium atom clock in space first appeared in the 1990's, in Europe and then in the United States. The Pharaospace clock project proposed by the Kastler-Brossellaboratory of the EcoleNormaleSupérieurein Paris and the Syrte(SYstèmesde RéférencesTemps-Espace) laboratory of the Paris Observatory was selected in 1997 by the ESA.....

Det var blot det, jeg mente med en 'fransk specialitet' - men vi kan da gerne bruge et andet ord som 'interesse' i stedet for, hvis du synes det er bedre.

http://smsc.cnes.fr/PHARAO/ESS17_en.pdf

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten