Jei Einstein buvo teisus ir laikas nėra vienodas visiems stebėtojams, natūraliai kyla keistas klausimas: astronautui išskridus į kosmosą, ar po metų jam ir Žemėje likusiam žmogui iš tiesų bus praėję tie patys metai?
Kalendoriaus prasme – taip. Fizikos prasme – ne visai. Astronautas ir žmogus Žemėje gali abu pažymėti tą pačią sausio 1-ąją, tačiau itin tikslūs laikrodžiai parodytų, kad tarp jų praėjo truputį skirtingas tikrasis laikas.
Esmė
Esmė
Astronautui orbitoje laikas iš tiesų teka kitaip, tačiau ne taip, kad keistųsi kalendoriaus dienos. ISS skirtumas matuojamas mikrosekundėmis.
- ISS astronautui laikas teka šiek tiek lėčiau Silpnesnė gravitacija orbitoje laikrodį greitina, tačiau didžiulis Tarptautinės kosminės stoties greitis jį lėtina dar stipriau. Galutinis rezultatas – apie 24 mikrosekundėmis mažiau per parą nei Žemės paviršiuje.
- Per pusmetį susidaro tik kelios milisekundės Maždaug šešių mėnesių misiją ISS praleidęs astronautas reliatyvumo prasme sugrįžta maždaug 4–5 milisekundėmis „jaunesnis“, nei būtų likęs Žemėje.
- Kalendorius vis tiek lieka žemiškas ISS įgula gyvena pagal 24 valandų parą ir koordinuotąjį pasaulinį laiką UTC, nors per vieną tokią parą stotis apskrieja Žemę maždaug 16 kartų.
Du reliatyvumo efektai tempia laiką į skirtingas puses
Kosmose vienu metu veikia du Einstein teorijų efektai.
Pirmasis kyla iš specialiosios reliatyvumo teorijos: kuo greičiau judate kito stebėtojo atžvilgiu, tuo lėčiau eina jūsų laikrodis. Tarptautinė kosminė stotis aplink Žemę skrieja maždaug 7,7 km/s – beveik 28 tūkst. km/val. greičiu.
Antrasis kyla iš bendrosios reliatyvumo teorijos. Stipresniame gravitaciniame lauke laikas teka lėčiau. Kadangi ISS skrieja maždaug 400 km aukštyje, Žemės gravitacinis potencialas ten kitoks nei paviršiuje, todėl šis efektas astronautų laikrodžius, palyginti su Žeme, šiek tiek greitina.
JAV Nacionalinis standartų ir technologijų institutas NIST pabrėžia, kad abu reiškiniai nėra vien teorinės formulės – juos galima tiesiogiai matuoti itin tiksliais atominiais laikrodžiais.
ISS atveju greitis nugali gravitaciją
Tarptautinėje kosminėje stotyje abu efektai veikia priešingomis kryptimis, tačiau jų dydis nevienodas.
| ISS poveikis laikrodžiui | Apytikris skirtumas per parą |
|---|---|
| Silpnesnė gravitacija orbitoje | +3,8 mikrosekundės |
| Didelis orbitinis greitis | −28,2 mikrosekundės |
| Galutinis rezultatas | apie −24,4 mikrosekundės |
Tokius ISS ir Žemės geoidui priklausančio laikrodžio skirtumus pateikia GPS.gov paskelbta reliatyvistinių laikrodžių skaičiavimo medžiaga.
24 mikrosekundės – 0,000024 sekundės – žmogui visiškai nejuntamos. Tačiau efektas kaupiasi. Per maždaug pusę metų susidaro apie 4,5 milisekundės. Metus orbitoje praleidusio žmogaus skirtumas būtų maždaug 9 milisekundės, priklausomai nuo tikslios orbitos ir pasirinkto palyginimo taško Žemėje.
Tai ne laikrodžio gedimas. Jei astronautas turėtų idealų laikrodį ir parsivežtų jį į Žemę, jis iš tikrųjų būtų užfiksavęs mažiau praėjusio laiko.
Vadinasi, astronautas iš tiesų grįžta jaunesnis?
Labai griežta fizikos prasme – taip. Astronautui praėjęs savasis laikas yra truputį trumpesnis, todėl ir visi kartu su juo vykstantys fizikiniai procesai patiria tą patį laiko intervalą.
Tik šis „jaunystės bonusas“ nėra praktiškai naudingas. Kelių milisekundžių skirtumas yra milijonus kartų mažesnis už biologinius pokyčius, kuriuos ilga kosminė misija gali sukelti dėl mikrogravitacijos, radiacijos, miego režimo ar kitų veiksnių.
Europos kosmoso agentūra ESA yra pateikusi tą patį efektą labai žemiškai: pusmetį ISS praleidęs astronautas į Žemę grįžta keliomis milisekundėmis jaunesnis, nei būtų likęs ant planetos.
Kodėl tada kalendorius neatsilieka?
Nes kalendorius nėra gamtos laikrodis. Tai žmonių susitarimas, pagal kurį numeruojame dienas ir koordinuojame veiklą.
Tarptautinė kosminė stotis naudoja UTC – koordinuotąjį pasaulinį laiką. ESA aiškina, kad UTC pasirinktas todėl, kad patogiai dera su tarptautinių ISS partnerių ir pagrindinių skrydžių valdymo centrų darbu.
Todėl jei Žemėje pagal UTC yra rugsėjo 9-osios 12:00, stoties tvarkaraštyje taip pat bus rugsėjo 9-osios 12:00. Reliatyvistiniai skirtumai tvarkomi laiko matavimo ir sinchronizavimo sistemose – astronautams nereikia kas kelis mėnesius iš savo kalendoriaus išbraukti kelių milisekundžių.
O kaip su 16 saulėtekių per parą?
Čia atsiranda kita dažna painiava. ISS Žemę apskrieja maždaug kas 90 minučių, todėl astronautai per 24 valandas gali pamatyti apie 16 saulėtekių ir 16 saulėlydžių.
Jei „dieną“ apibrėžtume vien kaip laiką tarp dviejų saulėtekių, kosminėje stotyje diena tikrai atrodytų maždaug pusantros valandos ilgio. Tačiau žmonių miegui, darbui ir misijos valdymui toks kalendorius būtų beveik nenaudingas.
ESA aprašytame ISS režime įgula todėl laikosi 24 valandų žemiškos paros, turi nustatytus darbo, valgymo ir maždaug aštuonių valandų miego laikotarpius.
Aukštesnėje orbitoje rezultatas gali net apsiversti
ISS nėra taisyklė visam kosmosui. Reliatyvistinis rezultatas priklauso nuo greičio ir gravitacijos.
Puikus pavyzdys – GPS palydovai. Jie skrieja daug aukščiau už ISS. Jų judėjimas laikrodžius sulėtina maždaug 7 mikrosekundėmis per parą, tačiau gerokai silpnesnė Žemės gravitacija juos pagreitina apie 45 mikrosekundėmis.
Galutinis rezultatas – GPS palydovo laikrodis eina maždaug 38 mikrosekundėmis per parą greičiau nei laikrodis Žemėje. NIST nurodo, kad šis skirtumas turi būti koreguojamas, antraip GPS navigacija greitai taptų netiksli.
Tai gerai parodo, kodėl klausimas „ar kosmose laikas eina lėčiau?“ nėra visai teisingas. Nėra vieno kosmoso laiko. Reikia klausti, kaip greitai objektas juda, kokiame gravitaciniame lauke jis yra ir su kokiu kitu laikrodžiu jį lyginame.
Taigi astronautui ISS kalendorius lieka toks pats kaip Žemėje, bet po tuo kalendoriumi fizika tyliai skaičiuoja kitą rezultatą. Po šešių mėnesių skirtumas tėra kelios milisekundės – per mažai, kad pajustumėte, bet pakankamai tikras, kad jį išmatuotų laikrodis.
Komentarai