Mükemmel şekilde özdeş iki atom saati koysanız — biri Dünya'nın yüzeyinde, diğeri Ay'da — ve tam bir Dünya günü sonra kontrol etseniz, Ay saati yaklaşık 56.02 mikrosaniye ileride olurdu. Bu saatlerde bir arıza değildir. Albert Einstein'ın bir asırdan fazla önce öngördüğü, evrenin temel bir özelliğidir.
Kütleçekimsel Zaman Genişlemesi Açıklaması
Einstein'ın 1915'te yayımlanan genel göreliliği, kütleçekimini bir kuvvet olarak değil, uzay-zamanın eğriliği olarak tanımlar. Dünya ve Ay gibi kütleli nesneler çevrelerindeki uzay-zaman dokusunu eğer ve bu eğrilik zamanın nasıl aktığını etkiler.
Temel ilke basittir: kütleçekim alanı ne kadar güçlüyse, zaman o kadar yavaş akar. Bu etkiye kütleçekimsel zaman genişlemesi denir. Dünya'nın yüzey kütleçekimi yaklaşık 9,8 m/s² iken, Ay'ınki yalnızca yaklaşık 1,62 m/s²'dir — yaklaşık altıda bir. Ay'ın kütleçekim çekimi daha zayıf olduğundan, uzay-zaman orada daha az eğridir ve saatler daha hızlı çalışır.
56 Mikrosaniye Sayısı
Ay saatlerinin tam olarak ne kadar hızlı çalıştığı, Dünya'nın yüzeyi ile Ay'ın yüzeyi arasındaki kütleçekim potansiyeli farkına, artı yörünge hızı ve Dünya'nın dönüşü için küçük düzeltmelere bağlıdır.
Kütleçekimsel mavi kayma — daha zayıf kütleçekimde daha hızlı çalışan saatler — günde yaklaşık +58,7 mikrosaniye katkıda bulunur. Ancak, Ay'ın yörünge hızı (yaklaşık 1,022 km/s) ters yönde küçük bir zaman genişlemesine neden olur (özel görelilikten hıza bağlı etki), net kazancı günde yaklaşık 2,7 mikrosaniye azaltır. Birleşik sonuç günde yaklaşık +56.02 mikrosaniyedir.
Bu sayı, NASA'nın Jet İtme Laboratuvarı ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nün çalışmaları da dahil olmak üzere birçok bağımsız analiz tarafından doğrulanmıştır.
Bu Teorik Değil — Ölçülmüştür
Kütleçekimsel zaman genişlemesi, tüm fizikte en hassas şekilde test edilmiş öngörülerden biridir. Kütleçekimin daha zayıf olduğu yaklaşık 20.200 km yükseklikte yörüngede dönen GPS uyduları, yer saatlerine göre günde yaklaşık 45 mikrosaniye kazanır. Bu düzeltilmezse, GPS konumları günde yaklaşık 10 km sapardı.
Aynı fizik Ay için de geçerlidir. Henüz ay yüzeyine atom saatleri yerleştirmemiş olsak da, etki aynı iyi test edilmiş denklemlerden hesaplanır. Kütleçekimsel zaman genişlemesi formülü, trilyonda birden daha iyi doğrulukla onaylanmış öngörüler üretir.
56 Mikrosaniye Neden Önemlidir
Günlük insan faaliyetleri için 56 mikrosaniye algılanamaz. Ancak hassas sistemler için hızla birikir:
Bir ay sonra, Ay saati yaklaşık 1,7 milisaniye ileridedir. Bir yıl sonra, ofset yaklaşık 20 milisaniyeye büyür. J2000.0 döneminden (1 Ocak 2000) bu yana, biriken sapma 0,5 saniyeyi aşmıştır.
Navigasyon için, ışık mikrosaniyede yaklaşık 300 metre yol alır. 56 mikrosaniyelik bir zamanlama hatası, günde yaklaşık 16 metrelik konum belirsizliğine karşılık gelir. Artemis görevlerinin gerektirdiği hassas inişler için — Ay'ın güney kutbuna yakın belirli bölgeleri hedefleyen — bu sapma seviyesi düzeltilmeden kabul edilemez.
Tam olarak bu nedenle Koordineli Ay Zamanı (LTC) geliştirilmektedir: göreceli farkı hesaba katan ve tüm ay sistemlerini senkronize tutan bir zaman standardı sağlamak için.