StefanTallqvist

Gravitaatioaallot ja Faraon kello

  • eri satelliitti ratojen vaatimat korjaukset
    eri satelliitti ratojen vaatimat korjaukset

 

Tällä hetkellä kiertää maailman medioita uutinen jonka mukaan ollaan havaittu gravitaatioaaltoja. Onhan ne olleet tutkimuksen ja kiistelyn aiheita Einsteinin ajoilta lähtien.

”PHARAO atomic space clock”, Faraon kello on hyvin tarkka jäähdytetty cesium kello, jota tullaan tänä vuonna käyttämään ISS asemalla (International Space Station) relativistisia kokeita varte.

GPS ja muutkin satelliitit ovat olleet suhteellisuusteorian tutkijoitten tärkeitä laboratorioita. Huomattava hankaluus on kuitenkin se, että sekä ISS että GPS tekevät usein pieniä radan korkeuden korjauksia, jotka usein aiheuttavat samaa suuruusluokkaa olevia muutoksia, kun relativistiset efektit. Kaikki nämä satelliitit ovat periaatteessa vapaassa liikkeessä Maan ja muissa gravitaatiokentissä, ja muodostavat täten omia initiaali koordinaatistoja.

Suinkaan kaikki tukijat eivät ole yksimielisiä näistä monimutkaistat asioista. Kuvassani 1 on esitetty tämän hetken relativistiset korjaukset eri korkeuksilla maapallosta. Koska netistä löytyy myös virheellisiä tietoja, ohjelmoin MATLABille ne yhtälöt jotka johtavat kuvan 1 käyriin. Näin minulle tuli tietty ymmärrys asioista, joka olisi ollut muuten vaikea saavuttaa.

Osoittautui että näihin laskuihin ei olla käytetty Einsteinin yleistä teoriaa! Vaan Lorenzin kaavoja ja Schwarzschild ratkaisuja heikolle gravitaatiokentille!

Kuvan 1 käyrät kertovat, että noin 1.5 Maan säteen etäisyydellä Maan kesipisteestä lasketut suhteellisuus teoreettiset efektit kuloutuvat.

GPS radalle laskettu arvo on, että kello jää jälkeen 7 mikrosekuntia (Lorenz) vuorokaudessa, ja edistää 45 mikrosekuntia vuorokaudessa. Kokonaiskorjaus väitetään olevan näitten erotus, eli (45-7=) 38 mikrosekuntia vuorokaudessa!

ISS radalla korjaus on toiseen suuntaan, mutta varsin pieni. Jotkut kiistävät, että tämä pitää paikkansa. Faraon kello ehkä ratkaisee asiaa?

 

Koskien näitä gravitaatioaaltoja:

Niitten aiheuttajaksi mainitaan kaksi läheistä ”mustaa aukkoa”, joka ilmeisesti tarkoittaa kaksi neutronitähteä. Tällainen systeemi on jo kerran saanut Nobel-palkinnon suhteellisuusteorian verifioinnin ansiosta:

“The discovery of the binary pulsar”

During 1974 Joseph Taylor and Russell Hulse were searching for new pulsars with the Arecibo telescope:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1993/illpres/discovery.html

Paljon hämärää on vielä näissä asioissa!

Mutta gravitaatiokentän ja ajan riippuvuus voidaan kuitenkin hyvin todeta Maan pinnalla, siirtämällä atomikello muutaman metrin ylöspäin.

 

Piditkö tästä kirjoituksesta? Näytä se!

3Suosittele

3 käyttäjää suosittelee tätä kirjoitusta. - Näytä suosittelijat

NäytäPiilota kommentit (15 kommenttia)

Seppo Hildén

Tää oli mielenkiintoista pohdintaa.

Käyttäjän harripihl kuva
Harri Pihl

Jep, ainoa lukemisen arvoinen täällä tänään.

Käyttäjän rutanen1965 kuva
Jari Rutanen

Arkikielisesti yksinkertaistettuna aika-avaruus lienee ikäänkuin hyytelöä jonka gravitaatioallot saavat hyllymään.

Nykyistä Ligoa tarkempia gravitaatioaalto-mittalaitteita on tekeillä, joten saamme asiasta paljon lisätietoa lähivuosina.

Käyttäjän StefanTallqvist kuva
Stefan H. Tallqvist

Seppo Hildén kommenttiin on helppo yhtyä.

Koska aikaisemmin jotkut olivat kiinnostuneista GPS ja GLONASS satelliittista, annan niistä vielä hieman tietoja.

“The orbital period of a GPS satellite is one-half of a sidereal day or 11 hours 58 minutes.” periodi siis 43080 sekuntia.
GLONASS “a period of 11 hours and 15 minutes” periodi siis 40500 sekuntia.
Periodien suhde on 43080/40500 = 1,06370

Koska periodit ovat eri suuria, myös muut rataparametrit ovat erilaisia.

Ratatasojen kaltevuus on myös hieman erilainen, kuten käytetty modulaatio ja taajuus.

GPS kellojen oma aika:
“The GPS navigation message includes the difference between GPS time and UTC. As of July 2015, GPS time is 17 seconds ahead of UTC because of the leap second added to UTC on June 30, 2015”
GPS kelloja ei korjata UTC skaalan ja atomiaika skaalan hypyillä, joten GPS oma kello ja UTC aika ovat erilaisia, noin 17 sekuntia tällä hetkellä. Mutta GPS viesti sisältää tiedon tästä aikaerosta.

Maapallolla UTC aikaan tehdään erilaisia korjauksia, koska auringon keskimääräinen pituus (vuorokauden pituus) vaihtelee verrattuna korjaamattomaan atomiaikaan.

Yksi näistä korjauksista sisältää VLBI radioastronomian mittaama maan navan liikkeistä johtuva korjaus.

Vaikka sekä GPS systeemillä ja GPS satelliiteilla voidaan tehdä etäisyyden mittauksia, VLBI mittaukset ovat aina periaatteessa tarkempia. VLBI käyttää Maapallon paikallisesta gravitaatiosta riippumattomia hyvin kaukaisia referenssejä-

Tämä seuraava on tärkein viite, jossa esitetään kuvassani 1 esiintyvien käyrien kaavat:

Neil Ashby 2003: Relativity in GPS Systems:
http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2...
(Ohjelmoin mainitut kaavat ja totesin että niistä tulee sellaisia käyriä kun esim. wikipediassa esitetään)

Käyttäjän StefanTallqvist kuva
Stefan H. Tallqvist

Seuraava kuva on Einsteinin omasta kirjoituksesta (Autobiography) vuonna 1949:
http://www.kotiportaali.fi/adslfor/einstein.jpg

Einstein uskoo, että nämä yhtälöt ovat gravitaatiokentän johdonmukainen laajennus, ”Jos tällainen laajennus yleensä on mahdollinen”.

Niitten ratkaisu on valtava työ (1949) koska pitää laskea tarkasti; ”likiarvot eivät kelpaa”. Aina kun väitetään että Einsteinin yhtälöt on verifioitu suurella tarkkuudella olisi tärkeätä tietää, että millaisiin yhtälöihin viitataan!

Katso puheenvuoro:
http://stefantallqvist.puheenvuoro.uusisuomi.fi/84...

Eräät kvanttifysiikka harrastavat tiedemiehet väittävät, että lukuisissa ja toistuvissa kokeissa on saatu selvästi valon nopeutta suurempia arvoja, kahden elektronin spinlukujen välillä. Jos se pitää paikkansa, se olisi vielä tärkeämpi tulos, kun nyt esillä oleva ”gravitaatio aalto”

Käyttäjän LeoMirala kuva
Leo Mirala

Hesarin uutisesta ymmärsin että Garavitaatioaaltojen vaikutuksesta kappale maapallolla supistuu ja laajenee mitattavissa olevan verran. Mutta se jäi mietityttämään että mikä on aallon taajuus? Missä ajassa tapahtuu yksi venyminen ja supistuminen?

Käyttäjän rutanen1965 kuva
Jari Rutanen

Ihan maallikkona arvaan, että se oli niiden kahden mustan aukon (kiihtyvä) pyörimisfrekvenssi toistensa ympäri.

--

Käsittääkseni kappaleen läpimitta vaihtelee gravitaation mukaan esim. maassa metrin mittainen ratakisko on Saturnuksessa hieman alle metrin mittainen.

Joku oikea tietäjä voi korjailla jos meni pieleen.

Käyttäjän StefanTallqvist kuva
Stefan H. Tallqvist

Leo Mirala:
Seppo-Juha Pietikäinen esitti videon, josta tämä ”aallon taajuus” voidaan arvioida:

YouTube videon ajankohdasta 34:37 eteenpäin mainitaan, että koko mitatun tapahtuman kesto oli noin 20 millisekuntia:
https://www.youtube.com/watch?v=vy5vDtviIz0

Minulle jää hämäräksi, miten arvioidaan, että tapahtuma sijoittuu yli ”billion years ago”? Maapallon ikä on esim. ” 4.5 billion years” amerikkalaisittain lausuttuna.

Kerrotin ymmärtääkseni, että tapahtuma oli Magellaanin Pilveissä (Magellanic Clouds) joitten etäisyys Maapallosta on luokkaa 200000 (200 tuhatta) valovuotta.

Nämä tähtipilvet toimivat etäisyysreferenssiä jo Edwin Hubblen aikoina 1920…1930 luvuilla. Ne ovat törmänneet ja muodostaneet valtavan pitkän kaasupilven linnunradan (Sagittarius) lähellä. Niissä tapahtui (mahdolliseti) myös havaittu supernova 1987, (SN 1987A), josta havaittiin valtava neutriinopurkaus.

PS. karkeasti arvioiden 20 ms tapahtumaan mahtuu noin 10 värähtelyä, aluksi pienemmällä taajuudella joka sitten nousee. Taajuus on siis kesimäärin 1/0.002, eli 500 Hz molemmin puolin.

Käyttäjän LeoMirala kuva
Leo Mirala

Jari, minä taas arvelen että maassa olevan ratakiskon pituus vaihtelee, ensin lyhenee, sitten pitenee jollain taajuudella. Ehkä kappaleen pitää olla suunnattu aallon lähtökohtaan, silloin vaikutus on suurin?

Käyttäjän rutanen1965 kuva
Jari Rutanen

Kyllä toki pituus vaihtelee mikäli painovoima-aalto osuu siihen.

Pohdiskelin vain sitä, että suhteellisuusteoreettisesti ajateltuna ei ole mitään absoluuttista (aika, massa, dimensio), vaan massa ja sen dimensiot vaihtelevat gravitaation mukana.

Siksi eri havainnoitsioiden mittaustulokset poikkeavat aina toisistaan. Kappaleen massakin pitäisi ilmoittaa massana maanpinnan gravitaatiossa ja samoin sen dimensiot.

Näin siis maallikkoymmärrykseni mukaan.

Käyttäjän StefanTallqvist kuva
Stefan H. Tallqvist

korjaus:

kun katselin mitattua gravitaatioaallon pituutta uudestaan, niin näytetyn jakson pituus oli melkein 0.2 sekuntia; ei siis 20 millisekuntia? (0.25 … 0.45 sekuntia)?

Tiedot ovat hieman ristiriitaisia.

Käyttäjän kaituovinen kuva
Kai Tuovinen

Kiitos mielenkiintoisesta näkökulmasta.

Kriittisyys on tieteessä kaiken a ja o. Onneksi tiede korjaa aikojen saatossa itseään. Siksipä emme asu enää lettu-planeetalla. Tiedä häntä mihin päädytään, kun 100 vuoden päästä asiaa hunttaillaan.

Käyttäjän StefanTallqvist kuva
Stefan H. Tallqvist

Jari Rutanen (14.2.2016 09:54):
”Kyllä toki pituus vaihtelee mikäli painovoima-aalto osuu siihen.”

Näitä gravitaatioaaltoja koskien kerrottiin, että havaittu pituuden muutos (peilien liike?) oli tuhannesosa protonin halkaisijasta. Metreissä lausuttuna tämä on uskomattoman pieni muutos:
Protonin ”säde” ja sen tarkka arvo vaihtelee melkoisesti mittaajasta ja menetelmästä riippuen, mutta seuraava on tyypillinen arvo:

“Proton rms charge radius value 0.8751*10^(-15) meter (CODATA)”

Käyttäjän LeoMirala kuva
Leo Mirala

Mikäli päässälaskuni on edes sinnepäin, niin painovaoima-aallon taajuus on 50 Hz. Ettei vain...

Toimituksen poiminnat