Zaman genişlemesi
Kütleçekimsel zaman genişlemesi, genel görelilikten kaynaklanan, zamanın geçişindeki değişikliklerle ilgili bir fizik kavramıdır. Uzaydaki bir saat, Dünya'daki bir saatten daha hızlı hareket eder. Gezegenler gibi ağır cisimler, yakınlarındaki zamanı yavaşlatan bir çekim alanı yaratırlar. Bu, herhangi bir gezegenden çok uzaktaki bir uzay gemisindeki bir saatin Dünya yakınındaki bir saatten daha hızlı hareket edeceği anlamına gelir.
Bu, hızlı nesnelerin zaman içinde daha yavaş hareket ettiğini söyleyen özel görelilik tarafından açıklanan zaman genişlemesinden farklıdır. Uluslararası Uzay İstasyonu gibi yakın uydular Dünya'nın yörüngesinde çok hızlı hareket ederler, bu nedenle yavaşlarlar. ISS alçak Dünya yörüngesinde (LEO) olduğu için, yerçekiminden kaynaklanan zaman genişlemesi, hızından kaynaklanan zaman genişlemesi kadar güçlü değildir, bu nedenle üzerindeki bir saat hızlandırıldığından daha fazla yavaşlar. Sabit yörüngedeki bir nesne daha az hızlı hareket eder ve Dünya'dan daha uzaktadır, bu nedenle yerçekimsel zaman genişlemesi daha güçlüdür ve saatler LEO'dakinden daha hızlı hareket eder. Bu da mühendislerin farklı yörüngeler için farklı saatler seçmeleri gerektiği anlamına gelir. GPS uyduları her iki tür zaman genişlemesini de bildikleri için çalışırlar.
Durum #1: Özel görelilikte, hareket eden saatler durağan bir gözlemcinin saatine göre daha yavaş çalışır. Bu etki saatlerin işleyişinden değil, uzayzamanın doğasından kaynaklanır.
Durum #2: gözlemciler farklı yerçekimsel kütlelere sahip konumlarda olabilirler. Genel görelilikte, güçlü bir yerçekimi alanına yakın olan saatler, daha zayıf bir yerçekimi alanındaki saatlerden daha yavaş çalışır.
İki iyi saat uzayda ve Dünya'da farklı zamanları gösterecektir.
Kanıtlar
Deneyler zaman genişlemesinin her iki yönünü de desteklemektedir.
Bağıl hız nedeniyle zaman genişlemesi
Özel görelilikte zaman genişlemesini belirleyen formül şudur:
Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,} 
nerede
Δ t {\displaystyle \Delta t\,}
bir gözlemci için zaman aralığıdır (örneğin saatindeki tik taklar) - bu uygun zaman olarak bilinir,
Δ t ′ {\displaystyle \Delta t'\,}
gözlemciye göre v hızıyla hareket eden kişi için zaman aralığıdır,
v {\displaystyle v\,}
gözlemci ile hareketli saat arasındaki göreli hızdır,
c {\displaystyle c\,} 
ışık hızıdır.
Şu şekilde de yazılabilir:
Δ t ′ = γ Δ t {\displaystyle \Delta t'=\gamma \Delta t\,} 
nerede
γ = 1 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,} 
Lorentz faktörüdür.
Basit bir özet, durmakta olan saatte hareket halindeki saatten daha fazla zaman ölçüldüğü, dolayısıyla hareket halindeki saatin "yavaş çalıştığı" şeklindedir.
Her iki saat de hareket etmediğinde, birbirlerine göre, ölçülen iki zaman aynıdır. Bu matematiksel olarak şu şekilde kanıtlanabilir
Δ t ′ = Δ t 1 - 0 / c 2 = Δ t {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-0/c^{2}}}}={\Delta t}\,} 
Örneğin: Işık hızının %99'u ile hareket eden bir uzay gemisinde bir yıl geçer. Dünyada ne kadar zaman geçecek?
v = 0.99 c {\displaystyle v=0.99c\,} 
Δ t = 1 {\displaystyle \Delta t=1\,}
yıl
Δ t ′ = ? {\displaystyle \Delta t'=?\,} 
Yerine koyma: Δ t ′ = Δ t 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {\Delta t}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\,}
Δ t ′ = 1 1 - ( .99 c ) 2 / c 2 = 1 1 - ( . 99 ) 2 ( c ) 2 c 2 = 1 1 - ( .99 ) 2 {\displaystyle \Delta t'={\frac {1}{\sqrt {1-(.99c)^{2}/c^{2}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {(.99)^{2}(c)^{2}}{c^{2}}}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-(.99)^{2}}}}} 
= 1 1 - 0.9801 = 1 0.0199 = 7.08881205 {\displaystyle ={\frac {1}{\sqrt {1-0.9801}}={\frac {1}{\sqrt {0.0199}}=7.08881205}
yıl
Yani uzay gemisindeki her yıl için dünyada yaklaşık 7.09 yıl geçecek.
Günümüzün sıradan yaşamında, zaman genişlemesi bir faktör olmamıştır; insanların ışık hızından çok daha düşük hızlarda hareket ettiği yerlerde, hızlar herhangi bir tespit edilebilir zaman genişlemesi etkisi üretecek kadar büyük değildir. Bu tür yok denecek kadar küçük etkiler güvenle göz ardı edilebilir. Ancak bir nesne saniyede 30.000 kilometre (67.000.000 mil/saat) (ışık hızının %10'u) hıza yaklaştığında zaman genişlemesi önemli hale gelir.
Bununla birlikte, zaman genişlemesinin pratik kullanımları da vardır. Bunun en büyük örneği GPS uydularındaki saatlerin doğru tutulmasıdır. Zaman genişlemesi hesaba katılmazsa, GPS sonuçları işe yaramaz, çünkü Dünya'nın yerçekiminden çok uzaktaki uydularda zaman daha hızlı akar. Eğer uzay saatleri yüksek Dünya yörüngesindeki (geostationary orbit) daha hızlı zamanı dengelemek için Dünya'da daha yavaş çalışacak şekilde ayarlanmamışsa, GPS cihazları zaman farkı nedeniyle yanlış konum hesaplayacaktır.
Sorular ve Yanıtlar
S: Yerçekimsel zaman genişlemesi nedir?
C: Yerçekimsel zaman genişlemesi, genel görelilikten kaynaklanan zamanın geçişindeki değişikliklerle ilgili bir fizik kavramıdır. Gezegenler gibi ağır nesneler, yakınlarındaki zamanı yavaşlatan bir yerçekimi alanı oluşturduğunda meydana gelir.
S: Özel görelilikten farkı nedir?
C: Özel görelilik, hızlı nesnelerin zaman içinde daha yavaş hareket ettiğini belirtirken, yerçekimsel zaman genişlemesi, güçlü bir yerçekimi alanının yakınındaki saatlerin daha zayıf bir yerçekimi alanındaki saatlerden daha yavaş çalıştığını söyler.
S: Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki (UUİ) saatlere ne olur?
C: ISS alçak Dünya yörüngesinde (LEO) olduğu için, hızı saatin yerçekimi nedeniyle hızlanmasından çok yavaşlamasına neden olur. Bu, üzerindeki bir saatin hızlandığından daha fazla yavaşladığı anlamına gelir.
S: Geostationary yörünge saatleri nasıl etkiler?
C: Sabit yörüngedeki bir nesne daha az hızlı hareket eder ve Dünya'dan daha uzaktadır, bu nedenle yerçekimsel zaman genişlemesi daha güçlüdür ve saatler LEO'dakinden daha hızlı hareket eder.
S: Mühendislerin farklı yörüngeler için farklı saatler seçerken neleri göz önünde bulundurmaları gerekir?
C: Mühendislerin, konumları ve Dünya yüzeyinden uzaklıkları nedeniyle yerçekiminden veya hızdan ne kadar etkilendiklerine bağlı olarak farklı yörüngeler için farklı saatler seçmeleri gerekir.
S: GPS uyduları her iki tür zaman genişlemesi açısından nasıl çalışır?
C: GPS uyduları zaman genişlemesinin her iki türünü de (özel görelilik ve genel görelilik) bildikleri için çalışırlar, bu da konumları ve Dünya yüzeyinden uzaklıkları nedeniyle yerçekimi veya hızdaki farklılıklara rağmen Dünya yüzeyindeki konumlar arasındaki mesafeleri doğru bir şekilde ölçmelerini sağlar.
