Spis treści:
- Ile trwa 1 minuta w kosmosie w przeliczeniu na czas na Ziemi?
- Dylatacja czasu na ISS. O ile mikrosekund różni się minuta na orbicie od tej na Ziemi?
- Dlaczego 1 minuta w kosmosie trwa niemal dokładnie tyle samo co na Ziemi?
Ile trwa 1 minuta w kosmosie w przeliczeniu na czas na Ziemi?
W kosmosie minuta wciąż ma 60 sekund. Astronauta nie odczuwa relatywistycznego spowolnienia czasu, ponieważ jego zegarek, organizm i otoczenie podlegają mu w jednakowym stopniu. Pod wpływem mikrograwitacji, stresu, obciążenia pracą czy ścisłego harmonogramu może jednak subiektywnie oceniać długość minuty inaczej. To zjawisko psychologiczne, niezwiązane bezpośrednio z dylatacją czasu. Fizyczną różnicę między minutą na orbicie a minutą na Ziemi ujawnia dopiero porównanie niezwykle precyzyjnych zegarów.
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna leci z prędkością około 7,66 km/s. Tak szybki ruch sprawia, że znajdujący się na niej zegar odmierza czas minimalnie wolniej. Gdy na ISS mija dokładnie 60 sekund, na powierzchni Ziemi upływa około 60,000000017 sekundy. Różnica wynosi zaledwie 17 nanosekund, czyli 17 miliardowych części sekundy.
Najłatwiej wyobrazić to sobie na przykładzie dwóch identycznych stoperów. Jeden zabieramy na ISS, drugi zostawiamy na Ziemi. Uruchamiamy je w tej samej chwili. Po jednej minucie wskazania wyglądają identycznie. Dopiero precyzyjny pomiar pokazuje, że stoper ze stacji spóźnia się o maleńki ułamek sekundy.
Te drobne różnice stopniowo się sumują. Po jednej dobie zegar na ISS pozostaje w tyle o około 24-25 mikrosekund. Po sześciu miesiącach astronauta jest dzięki temu o mniej więcej 4-5 milisekund młodszy niż gdyby cały ten okres spędził na Ziemi. To prawdziwa, choć bardzo krótka podróż w przyszłość.
Dylatacja czasu na ISS. O ile mikrosekund różni się minuta na orbicie od tej na Ziemi?
Skąd bierze się różnica wynosząca około 17 nanosekund na minutę? Zegar na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej podlega jednocześnie dwóm zjawiskom opisanym przez Einsteina. Jedno wiąże się z prędkością stacji, drugie z jej odległością od Ziemi. Każde przesuwa wskazania zegara w inną stronę.
ISS okrąża planetę z prędkością około 7,66 km/s, czyli blisko 27,6 tys. km/h. Zgodnie ze szczególną teorią względności ruch spowalnia bieg czasu względem obserwatora, który porusza się wolniej. Im większa jest różnica prędkości między dwoma zegarami, tym szybciej rozchodzą się ich wskazania. W przypadku ISS sam ruch orbitalny oznacza stratę około 28 mikrosekund na dobę, czyli niespełna 0,020 mikrosekundy na minutę.
Grawitacja przesuwa wynik w przeciwną stronę. Ziemia zakrzywia czasoprzestrzeń, a zegar położony bliżej jej środka odmierza czas wolniej niż zegar znajdujący się wyżej. ISS krąży około 400 km nad powierzchnią planety, dlatego jej zegar zyskuje z tego tytułu około 3-4 mikrosekund na dobę, czyli mniej więcej 0,002-0,003 mikrosekundy na minutę. Podobny efekt występuje również na Ziemi. Zegar ustawiony na wyższym piętrze minimalnie wyprzedza ten znajdujący się na parterze. Badacze NIST i JILA zdołali zmierzyć różnicę nawet przy zmianie wysokości o zaledwie milimetr.
Zobacz również:
Słabsza grawitacja zmniejsza opóźnienie, ale nie wyrównuje go w całości. Ruch orbitalny opóźnia zegar ISS o około 28 mikrosekund na dobę, natomiast większa wysokość pozwala mu odzyskać około 3-4 mikrosekund. Ostatecznie zegar na stacji pozostaje w tyle o około 24-25 mikrosekund na dobę, czyli o wspomniane 17 nanosekund w ciągu minuty.
Wysokość orbity ma przy tym ogromne znaczenie. Satelity GPS krążą około 20 tys. km nad Ziemią, czyli mniej więcej 50 razy wyżej niż ISS, i poruszają się wolniej. W ich przypadku przewagę zyskuje wpływ słabszej grawitacji. Zegary satelitarne wyprzedzają ziemskie o około 38 mikrosekund na dobę. Bez uwzględnienia tej różnicy system nawigacji szybko podawałby błędne położenie. Równania Einsteina są więc częścią technologii, z której korzystamy za każdym razem, gdy otwieramy mapę w telefonie.
Dlaczego 1 minuta w kosmosie trwa niemal dokładnie tyle samo co na Ziemi?
ISS pędzi wokół Ziemi w tempie imponującym z ludzkiej perspektywy, ale w fizyce relatywistycznej wciąż porusza się bardzo wolno. Osiąga zaledwie 0,0026 proc. prędkości światła, wynoszącej niemal 300 tys. km/s. Przy tak niewielkim ułamku tej wartości spowolnienie czasu narasta bardzo łagodnie. Wyraźny efekt pojawia się dopiero wtedy, gdy obiekt zbliża się do granicy wyznaczonej przez światło.
Przy prędkości wynoszącej 99,995 proc. prędkości światła jedna minuta dla pasażera statku odpowiadałaby mniej więcej 100 minutom odmierzonym na Ziemi. ISS nie zbliża się do takich wartości, dlatego podczas pojedynczej minuty gromadzi jedynie nanosekundy opóźnienia.
Ziemskie pole grawitacyjne także okazuje się zbyt słabe, by wywołać spektakularną zmianę. Zupełnie inaczej wyglądałaby sytuacja w pobliżu gwiazdy neutronowej albo czarnej dziury, czyli obiektów skupiających ogromną masę na bardzo małym obszarze. Tam różnica między zegarami mogłaby rosnąć znacznie szybciej. ISS znajduje się jednak na niskiej orbicie okołoziemskiej, w warunkach dalekich od takich ekstremów.
Efekt jest jednak realny i mierzalny. Do jego wykrycia potrzebny jest zegar atomowy, który wykorzystuje przejścia między ściśle określonymi stanami energetycznymi atomów. Zachodzą one z wyjątkową regularnością, dlatego tworzą precyzyjny wzorzec sekundy i pozwalają rejestrować odchylenia niewidoczne dla zwykłych urządzeń.
Najnowszym kosmicznym laboratorium czasu jest ACES, wysłany na ISS przez Europejską Agencję Kosmiczną 21 kwietnia 2025 roku. Cztery dni później aparaturę zamontowano na zewnętrznej części modułu Columbus. Serce systemu stanowią cezowy zegar PHARAO z wodorowym maserem SHM. Pierwszy zapewnia dokładny wzorzec częstotliwości, drugi odpowiada za wysoką stabilność sygnału w krótszych okresach. Według ESA zestaw osiąga poziom, przy którym odchylenie o jedną sekundę zgromadziłoby się dopiero po około 300 mln lat.
ACES ma porównywać sygnał z orbity ze wskazaniami najlepszych zegarów naziemnych. Pomiary pozwolą sprawdzić z większą dokładnością, czy grawitacja zmienia upływ czasu zgodnie z teorią Einsteina. Misja pomoże również łączyć laboratoria na różnych kontynentach i może wesprzeć prace nad przyszłą definicją sekundy, opartą na jeszcze dokładniejszych zegarach optycznych.
Precyzja ta przyda się także w badaniach Ziemi. Góry, oceany, pokłady gęstych skał oraz przemieszczające się masy nieznacznie modyfikują lokalne pole grawitacyjne. Ponieważ grawitacja wpływa na upływ czasu, pozostawia ślad we wskazaniach bardzo dokładnego zegara. Porównywanie urządzeń rozmieszczonych w różnych punktach może pomóc w wyznaczaniu różnic wysokości i tworzeniu dokładniejszych map pola grawitacyjnego planety. Na tym opiera się geodezja relatywistyczna, w której pomiar czasu dostarcza informacji o kształcie i budowie Ziemi.
