24.4 Time in General Relativity

General relativity theory makes various predictions about the behavior of space and time. One of these predictions, put in everyday terms, is that the stronger the gravity, the slower the pace of time. Such a statement goes very much counter to our intuitive sense of time as a flow that we all share. Time has always seemed the most democratic of concepts: all of us, regardless of wealth or status, appear to move together from the cradle to the grave in the great current of time.

But Einstein argued that it only seems this way to us because all humans so far have lived and died in the gravitational environment of Earth. We have had no chance to test the idea that the pace of time might depend on the strength of gravity, because we have not experienced radically different gravities. Moreover, the differences in the flow of time are extremely small until truly large masses are involved. Nevertheless, Einstein’s prediction has now been tested, both on Earth and in space.

The Tests of Time

An ingenious experiment in 1959 used the most accurate atomic clock known to compare time measurements on the ground floor and the top floor of the physics building at Harvard University. For a clock, the experimenters used the frequency (the number of cycles per second) of gamma rays emitted by radioactive cobalt. Einstein’s theory predicts that such a cobalt clock on the ground floor, being a bit closer to Earth’s center of gravity, should run very slightly slower than the same clock on the top floor. This is precisely what the experiments observed. Later, atomic clocks were taken up in high-flying aircraft and even on one of the Gemini space flights. In each case, the clocks farther from Earth ran a bit faster. While in 1959 it didn’t matter much if the clock at the top of the building ran faster than the clock in the basement, today that effect is highly relevant. Every smartphone or device that synchronizes with a GPS must correct for this (as we will see in the next section) since the clocks on satellites will run faster than clocks on Earth.

The effect is more pronounced if the gravity involved is the Sun’s and not Earth’s. If stronger gravity slows the pace of time, then it will take longer for a light or radio wave that passes very near the edge of the Sun to reach Earth than we would expect on the basis of Newton’s law of gravity. (It takes longer because spacetime is curved in the vicinity of the Sun.) The smaller the distance between the ray of light and the edge of the Sun at closest approach, the longer will be the delay in the arrival time.

In November 1976, when the two Viking spacecraft were operating on the surface of Mars, the planet went behind the Sun as seen from Earth as shown in Figure 1. Scientists had preprogrammed Viking to send a radio wave toward Earth that would go extremely close to the outer regions of the Sun. According to general relativity, there would be a delay because the radio wave would be passing through a region where time ran more slowly. The experiment was able to confirm Einstein’s theory to within 0.1%.

Figure 1. Radio signals from the Viking lander on Mars were delayed when they passed near the Sun, where spacetime is curved relatively strongly. In this picture, spacetime is pictured as a two-dimensional rubber sheet.

Gravitational Redshift

What does it mean to say that time runs more slowly? When light emerges from a region of strong gravity where time slows down, the light experiences a change in its frequency and wavelength. To understand what happens, let’s recall that a wave of light is a repeating phenomenon—crest follows crest with great regularity. In this sense, each light wave is a little clock, keeping time with its wave cycle. If stronger gravity slows down the pace of time (relative to an outside observer), then the rate at which crest follows crest must be correspondingly slower—that is, the waves become less frequent.

To maintain constant light speed (the key postulate in Einstein’s theories of special and general relativity), the lower frequency must be compensated by a longer wavelength. This kind of increase in wavelength (when caused by the motion of the source) is what we called a redshift in Radiation and Spectra. Here, because it is gravity and not motion that produces the longer wavelengths, we call the effect a gravitational redshift.

The advent of space-age technology made it possible to measure gravitational redshift with very high accuracy. In the mid-1970s, a hydrogen maser, a device akin to a laser that produces a microwave radio signal at a particular wavelength, was carried by a rocket to an altitude of 10,000 kilometers. Instruments on the ground were used to compare the frequency of the signal emitted by the rocket-borne maser with that from a similar maser on Earth. The experiment showed that the stronger gravitational field at Earth’s surface really did slow the flow of time relative to that measured by the maser in the rocket. The observed effect matched the predictions of general relativity to within a few parts in 100,000.

These are only a few examples of tests that have confirmed the predictions of general relativity. Today, general relativity is accepted as our best description of gravity and is used by astronomers and physicists to understand the behavior of the centers of galaxies, the beginning of the universe, and the subject with which we began this chapter—the death of truly massive stars.

Relativity: A Practical Application

By now you may be asking: why should I be bothered with relativity? Can’t I live my life perfectly well without it? The answer is you can’t. Every time a pilot lands an airplane or you use a GPS to determine where you are on a drive or hike in the back country, you (or at least your GPS-enabled device) must take the effects of both general and special relativity into account.

GPS relies on an array of 24 satellites orbiting the Earth, and at least 4 of them are visible from any spot on Earth. Each satellite carries a precise atomic clock. Your GPS receiver detects the signals from those satellites that are overhead and calculates your position based on the time that it has taken those signals to reach you. Suppose you want to know where you are within 50 feet (GPS devices can actually do much better than this). Since it takes only 50 billionths of a second for light to travel 50 feet, the clocks on the satellites must be synchronized to at least this accuracy—and relativistic effects must therefore be taken into account.

The clocks on the satellites are orbiting Earth at a speed of 14,000 kilometers per hour and are moving much faster than clocks on the surface of Earth. According to Einstein’s theory of relativity, the clocks on the satellites are ticking more slowly than Earth-based clocks by about 7 millionths of a second per day. (We have not discussed the special theory of relativity, which deals with changes when objects move very fast, so you’ll have to take our word for this part.)

The orbits of the satellites are 20,000 kilometers above Earth, where gravity is about four times weaker than at Earth’s surface. General relativity says that the orbiting clocks should tick about 45 millionths of a second faster than they would on Earth. The net effect is that the time on a satellite clock advances by about 38 microseconds per day. If these relativistic effects were not taken into account, navigational errors would start to add up and positions would be off by about 7 miles in only a single day.

Key Concepts and Summary

General relativity predicts that the stronger the gravity, the more slowly time must run. Experiments on Earth and with spacecraft have confirmed this prediction with remarkable accuracy. When light or other radiation emerges from a compact smaller remnant, such as a white dwarf or neutron star, it shows a gravitational redshift due to the slowing of time.

24.4: El tiempo en la relatividad general

Al finalizar esta sección usted podrá:

• Describe cómo la gravedad de Einstein ralentiza los relojes y puede disminuir la frecuencia de oscilación de una onda de luz.
• Reconocer que la disminución gravitacional en la frecuencia de una onda de luz se compensa con un aumento en la longitud de onda de la onda de luz (el llamado desplazamiento al rojo gravitacional), de modo que la luz continúa viajando a una velocidad constante.

La teoría de la relatividad general hace varias predicciones sobre el comportamiento del espacio y el tiempo. Una de estas predicciones, expresada en términos cotidianos, es que cuanto más fuerte es la gravedad, más lento es el ritmo del tiempo . Tal afirmación es muy contraria a nuestra noción intuitiva del tiempo como un flujo que todos compartimos. El tiempo siempre ha parecido el concepto más democrático: todos nosotros, independientemente de nuestra riqueza o estatus, parecemos movernos juntos desde la cuna hasta la tumba en la gran corriente del tiempo.

Pero Einstein argumentó que esto sólo nos parece así porque todos los humanos hasta ahora hemos vivido y muerto en el entorno gravitacional de la Tierra. No hemos tenido la oportunidad de poner a prueba la idea de que el ritmo del tiempo podría depender de la fuerza de la gravedad, porque no hemos experimentado gravedades radicalmente diferentes. Además, las diferencias en el flujo del tiempo son extremadamente pequeñas hasta que se ven involucradas masas verdaderamente grandes. Sin embargo, la predicción de Einstein ya ha sido puesta a prueba, tanto en la Tierra como en el espacio.

 

Las pruebas del tiempo

En 1959, un ingenioso experimento utilizó el reloj atómico más preciso conocido para comparar las mediciones de tiempo en la planta baja y en el piso superior del edificio de física de la Universidad de Harvard. Como reloj, los experimentadores utilizaron la frecuencia (el número de ciclos por segundo) de los rayos gamma emitidos por el cobalto radiactivo. La teoría de Einstein predice que un reloj de cobalto de la planta baja, al estar un poco más cerca del centro de gravedad de la Tierra, debería funcionar ligeramente más lento que el mismo reloj del piso superior. Esto es precisamente lo que observaron los experimentos. Más tarde, los relojes atómicos se incorporaron a los aviones que volaban a gran altura e incluso en uno de los vuelos espaciales Gemini. En cada caso, los relojes más alejados de la Tierra funcionaron un poco más rápido. Si bien en 1959 no importaba mucho si el reloj de la parte superior del edificio funcionaba más rápido que el del sótano, hoy ese efecto es muy relevante. Todo teléfono inteligente o dispositivo que se sincronice con un GPS debe tener en cuenta esto (como veremos en la siguiente sección) ya que los relojes de los satélites funcionarán más rápido que los relojes de la Tierra.

El efecto es más pronunciado si la gravedad involucrada es la del Sol y no la de la Tierra. Si una gravedad más fuerte ralentiza el paso del tiempo, entonces una onda de luz o de radio que pase muy cerca del borde del Sol tardará más en llegar a la Tierra de lo que esperaríamos según la ley de la gravedad de Newton (tardará más porque el espacio-tiempo se curva en las proximidades del Sol). Cuanto menor sea la distancia entre el rayo de luz y el borde del Sol en su aproximación más cercana, mayor será el retraso en el tiempo de llegada.

En noviembre de 1976, cuando las dos naves espaciales Viking operaban en la superficie de Marte, el planeta pasó detrás del Sol visto desde la Tierra (Figura 24.4.1​  24.4.1). Los científicos habían programado previamente a Viking para que enviara una onda de radio hacia la Tierra que pasaría extremadamente cerca de las regiones exteriores del Sol. Según la relatividad general, habría un retraso porque la onda de radio pasaría por una región donde el tiempo transcurría más lentamente. El experimento pudo confirmar la teoría de Einstein con un margen de error del 0,1%.

Cifra 24.4.1​24.4.1Retrasos temporales de las ondas de radio cerca del Sol. Las señales de radio de la sonda Viking en Marte sufrieron retrasos cuando pasaron cerca del Sol, donde el espacio-tiempo presenta una curvatura relativamente pronunciada. En esta imagen, el espacio-tiempo se representa como una lámina de goma bidimensional.

Basílica de San Martín de Tours (Tours)

Coordenadas: 47°23′35″N 0°40′58″E (mapa)

 

Basílica de San Martín de Tours
Basilique Saint-Martin de Tours
Clasificado MH (1840, torre del reloj)1​
Clasificado MH (1862, claustro)1​
Inscrito MH (1946, muro)1​
Clasificado MH (1958, torre Carlomagno)1​
Vista lateral de la basílica
Localización
País	Francia
División	Centro-Valle de Loira
Subdivisión	Indre-et-Loire
Localidad	Tours
Coordenadas	47°23′35″N 0°40′58″E
Información religiosa
Culto	Iglesia católica
Diócesis	Arquidiócesis de Tours
Propietario	municipality of Tours
Orden	Orden de San Benito
Uso	Culto ordinario
Estatus	Basílica
Advocación	Martin de Tours
Declaración	4 de julio de 1925 (basílica)
Historia del edificio
Fundación	1924
Construcción	1886-1924 (nueva)
Arquitecto	Victor Laloux
Datos arquitectónicos
Tipo	Basílica
Estilo	Neobizantino
Año de inscripción	8 de octubre de 1991
Mapa de localización
Basílica de San Martín de Tours
Sitio web oficial
[editar datos en Wikidata]

Vista de la fachada

La basílica de San Martín de Tours (en francés: basilique Saint-Martin de Tours) es un edificio religioso situado en la ciudad francesa de Tours (Indre-et-Loire), cuya cripta alberga la tumba de san Martín de Tours.

La antigua colegiata de San Martín de Tours, que databa principalmente del siglo xi, fue desafectada, vandalizada y transformada en un establo en 1793, luego demolida tras el colapso de las bóvedas en 1797, y de la que solo se conservaron dos torres. La basílica actual, que es mucho más modesta, fue construida entre 1886 y 1902 en el estilo neobizantino por el arquitecto Victor Laloux (inaugurada en 1890). Es un edificio de piedra caliza, de granito y mármol, cubierto de pizarra. Para las pinturas murales, el arquitecto contó con Pierre Fritel, y la decoración se realizó con la ayuda del pintor y decorador Adrien Lavieille, hijo de Eugène Lavieille. Una estatua monumental de San Martín, en bronce,^{Nota 1}​ diseñada para decorar la cúpula, fue encargada al escultor Jean-Baptiste Hugues (prix de Rome en 1875). Víctor Thiébaut, fundidor, la entregó en 1889. El edificio fue consagrado como basílica el 4 de julio de 1925.

Los restos de la antigua colegiata (la torre de Carlomagno, la torre del reloj y una galería del claustro) han sido clasificados monumentos históricos por la lista de 1840.¹​²​ La estatua de San Martín que corona la cúpula, debilitada por las tormentas de principios de 2014, fue retirada el 17 de febrero de 2014 para ser restaurada; su base se consolidó y la estatua fue reinstalada el 15 de octubre de 2016, en previsión de San Martín, celebrado cada año el 11 de noviembre.

El presidente de la República Francesa lleva el título honorífico de canónigo (ad honores) de la basílica.

Historia del edificio

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 La basílica del siglo v

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Tumba reconstruida de san Martín de Tours, en la cripta de la basílica:^{Nota 2}​³​ no contiene más que unas pocas reliquias y las intenciones de oración depositadas por los fieles.

El cuerpo de san Martín, que murió en Candes, fue trasladado a Tours y allí fue modestamente sepultado el 11 de noviembre de 397, tres días después de su muerte, en un cementerio cristiano a las afueras de la ciudad, al borde de la vía romana que partía hacia el oeste. Según Gregorio de Tours, el obispo Bricio (lat. Brictius) habría construido un edificio de madera en 437 para albergar la tumba y la (capa) de Martín, llamado por esta razón capilla. El obispo Perpétuus, habiendo constatado la atracción de este santuario, habría construido a su vez la primera basílica que albergaba la tumba de Martín, cuya dedicación tuvo lugar el 4 de julio de 470, noventa y nueve años después del ascenso de san Martín al episcopado de Tours.⁴​ Gregorio de Tours da la siguiente descripción:

El obispo Perpétuus [...] hizo construir la gran basílica que subsiste incluso hoy, y que está a quinientos cincuenta pasos de la ciudad. Tiene ciento sesenta pies de largo y sesenta de ancho. Tiene en altura, hasta el techo, cuarenta y cinco pies. Tiene treinta y dos ventanas del lado del altar, y veinte en la nave, que está adornada con cuarenta y una columnas. En todo el edificio hay cincuenta y dos ventanas, ciento veinte columnas, ocho puertas, tres al lado del altar y cinco en la nave […] Como la boiserie de la primera capilla era de una estructura elegante, el pontífice no creyó oportuno destruir esta obra: hizo construir, en honor de los apóstoles Pedro y Pablo, otra basílica en la que hizo colocar esta boiserie.

 

L'évêque Perpétuus […] fit construire la grande basilique qui subsiste encore aujourd'hui, et qui est à cinq cent cinquante pas de la ville. Elle a cent soixante pieds de long et soixante de large. Elle a en hauteur, jusqu'à la voûte, quarante-cinq pieds. Elle a trente-deux fenêtres du côté de l'autel et vingt dans la nef qui est ornée de quarante-et-une colonnes. Dans tout l'édifice, il y a cinquante-deux fenêtres, cent vingt colonnes, huit portes, trois du côté de l'autel et cinq dans la nef […] Comme la boiserie de la première chapelle était d'une structure élégante, le pontife ne crut pas à propos de détruire cet ouvrage : il fit btir, en l'honneur des apôtres Pierre et Paul, une autre basilique dans laquelle il fit placer cette boiserie.

Gregorio de Tours.⁵​

El cuerpo de Martin fue enterrado en un sarcófago detrás del altar principal de la nueva basílica.⁶​ Un gran bloque de mármol colocado elevado sobre la tumba, donado por el obispo Euphronius d’Autun (472-475), marcaba el lugar a los fieles reunidos detrás del altar, y según Werner Jacobsen⁷​ a los peregrinos instalados en el atrium de la basílica que, contra la costumbre, se encontraba detrás de la iglesia, es decir, en el lado del ábside, siendo visible el bloque desde una fenestrelle del muro del ábside.

En 508, fue en la iglesia del obispo san Perpetuo donde Clodoveo I, al día siguiente de su victoria sobre los visigodos en la batalla de Vouillé, recibió las insignias de cónsul de manos de los embajadores del emperador Anastasio I (emperador), tras lo cual montó a caballo y recorrió la distancia entre la basílica y la catedral de Tours lanzando dinero al pueblo.⁸​ La iglesia sufrió un grave incendio en 558. Estaba servida por una comunidad religiosa dirigida por un abad de quien habla Gregorio de Tours y que practicaba el ritual de la «laus perennis» (más tarde, doscientos religiosos se turnaban en grupos de veinte). El estatuto de esta comunidad, enormemente enriquecida por la peregrinación, se volvió problemático a partir de las reformas de Pipino el Breve, que quería imponer la regla de San Benito en todos los monasterios del reino franco (741). La comunidad, fuerte en sus tradiciones antiguas, resistió. Un establecimiento benedictino fue fundado en Cormery en 791 por el abad Ithier para aquellos que deseaban seguir la regla, y fue desarrollado por su sucesor Alcuin, abad de San Martín desde 796 a 804.

Por último, un concilio celebrado en Aix-la-Chapelle en 817 bajo el impulso de Benedicto de Aniane impuso imperativamente la regla benedictina a todas las comunidades que se llamaban «monastères» ; los «clérigos» de San Martín tuvieron que elegir entre el estatuto de «monjes» y el de «canónigos» y adoptaron el segundo. A partir de esta fecha, el santuario de San Martín ya no fue considerado un monasterio, sino como una colegiata servida por canónigos. El jefe de la comunidad se siguió llamado «abbé de Saint-Martin», pero desde 844 era un laico (en 860, era el príncipe Luis, heredero de Carlos el Calvo; en 866, era Roberto el Fuerte, conde de Tours y antepasado de los Capetos).

Fue el principal lugar de peregrinación cristiana en el siglo v (San Martín era en todo caso el santo protector de la Galia). El Concilio de Chalon (-sur-Saone) en 813 dio a esta peregrinación la misma importancia que a la de Roma.⁹​

 La basílica medieval (siglo ix - 1802)

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Vista lejana de la torre de Carlomagno (ca. 1100)Vista lejana de la torre del reloj (siglo xiii)