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重力探査機A（GP-A ）は、アインシュタインの相対性理論の特徴である等価原理を検証するための宇宙実験でした。この実験は、スミソニアン天体物理観測所とアメリカ航空宇宙局が共同で実施しました。この実験では、高精度の周波数標準である水素メーザーを宇宙に送り込み、重力が弱い場所での時間経過率を高精度で測定しました。質量は時空に歪みを生じさせ、その結果、長さの収縮と時間の遅れという効果が生じます。これらはどちらもアルバート・アインシュタインの一般相対性理論で予測された結果です。時空の歪みのため、地球上（重力ポテンシャルが低い場所）の観測者は、高度が高い場所（重力ポテンシャルが高い場所）の観測者よりも、時間の経過率が遅くなるはずです。この効果は重力による時間の遅れとして知られています。
この実験は、アインシュタインの一般相対性理論の主要な帰結である等価原理を検証するものであった。等価原理とは、一様な重力場にある基準系は、一様な加速度を受けている基準系と区別がつかないという原理である。さらに、等価原理は、一様に加速している基準系に存在する時間の流れの速度の違いという現象が、一様な重力場にある静止した基準系にも存在することを予測する。
探査機は1976年6月18日にバージニア州ウォロップス島のNASAウォロップス飛行センターから打ち上げられた。探査機はスカウトロケットで運ばれ、予定通り1時間55分間宇宙空間に滞在し、高度10,000 km (6,200マイル)に達した。探査機は大西洋に着水して地球に帰還した。[ 4 ]
重力探査機A実験の目的は、等価原理の妥当性を検証することであった。等価原理はアルベルト・アインシュタインの一般相対性理論の重要な要素であり、加速する基準系における物理法則は、一様な重力場によって作用される基準系における物理法則と同じであると述べている。
等価原理は、2 つのシナリオにおけるロケット船を比較することで理解できます。まず、地球の表面に静止しているロケット船を想像してください。ロケット船内で落とされた物体は、床に向かって加速度で落下します。9.8 m/s² 。さて、地球の重力場から脱出し、一定の速度で加速している遠方のロケット船を想像してみてください。 ロケットの推力により、ロケット船内の拘束されていない物体は、床に向かって加速度で移動します。9.8 m/s 2。この例は、等速で加速する基準系が重力基準系と区別できないことを示す一例です。
さらに、等価原理は、慣性効果によって引き起こされる現象は、重力効果によっても生じると仮定しています。加速しているロケット船に水平方向に照射された光線を考えてみましょう。ロケット船の外にいる加速していない観測者から見ると、ロケット船の床は光線に向かって加速しています。そのため、内部の観測者から見ると、光線は水平方向に進んでいるようには見えず、むしろ床に向かって曲がっているように見えます。これは、光を曲げる慣性効果の一例です。等価原理は、この慣性現象が重力参照系でも発生すると述べています。実際、重力レンズ現象は、物質が光を曲げることができることを示しており、この現象はハッブル宇宙望遠鏡やその他の実験によって観測されています。
時間の遅れとは、時間の経過速度の膨張または収縮を指し、重力探査機Aの実験の対象となった。アインシュタインの一般相対性理論によれば、物質は周囲の時空を歪める。この歪みにより、質量のある物体の近傍では、遠くの観測者が経験する速度に比べて、時間がよりゆっくりと流れる。球対称な重力体を取り巻くシュワルツシルト計量は、身体に近いほど、時間の流れが遅くなる。
アインシュタインの特殊相対性理論（重力も曲がった時空の概念も含まない）にも、同様の時間の遅れという概念が存在する。このような時間の遅れは、平坦な時空の中で一様に加速する粒子に付随するリンドラー座標に現れる。このような粒子は、加速している側では時間が速く流れ、反対側では遅く流れることを観測する。この見かけ上の時間のずれから、アインシュタインは速度の変化が粒子の同時性の相対性に影響を与えると推論した。アインシュタインの等価原理はこの類推を一般化し、加速する基準系は、重力が作用する慣性基準系と局所的に区別できないと述べている。このように、重力探査機Aは等価原理の検証であり、重力の影響を受ける地球表面の慣性系（特殊相対性理論の）での観測結果と、同じ慣性系において自由落下基準（慣性があり重力がないと考えられる）に対して上向きに加速しているとみなした場合の特殊相対性理論の予測とを一致させるものであった。
の60 kgの重力探査機には、原子水素メーザーシステムが搭載されていました。メーザーとは、誘導放出によるマイクロ波増幅の略で、電磁スペクトルのマイクロ波領域でコヒーレントな電磁波を生成する点でレーザーに似ています。水素メーザーは非常に正確な信号（毎秒14億2000万サイクル）を生成し、その安定性は1京分の1（10⁻¹⁰）という極めて高いものです。15 ) これは、1億年ごとに2秒未満ずれる時計に相当します。 [ 5 ]メーザー周波数から派生したマイクロ波信号が、ミッション全体を通して地上に送信されました。ロケットから受信した一方向信号は、ロケットの速度により相対論的ドップラーシフトを受け、さらに重力ドップラーによってわずかに青方偏移しました。
ロケットに搭載された水素メーザーに加え、地上にも別の水素メーザーが設置され、ロケットへのマイクロ波信号の連続送信源として使用された。ロケットに搭載されたマイクロ波トランスポンダは、その信号を地球に送り返した。上昇中、ロケットが受信した信号は、ロケットの速度によってドップラーシフトを受け、さらに重力によってわずかに赤方偏移した。地上で受信したトランスポンダ信号は、ロケットの速度によってドップラーシフトを受け、上昇中に赤方偏移したのと同じ量だけ重力によって青方偏移した。上昇中の信号の重力ドップラーシフトは、下降中の重力ドップラーシフトと常に完全に相殺されるため、地上で受信した信号の双方向ドップラーシフトは、ロケットの速度のみに依存した。
マイクロ波周波数ミキサーでは、転送された地上メーザー信号からの双方向ドップラーシフトの半分が、宇宙メーザーのドップラーシフトから差し引かれた。このようにして、宇宙船の運動によるドップラーシフトは完全に相殺され、重力によるドップラーシフト成分のみが残った。
探査機は重力ポテンシャルを大きく変化させるため、ほぼ垂直に上向きに打ち上げられ、高度10,000 km（6,200マイル）に達した。この高度では、一般相対性理論によれば、時計は10⁻⁶分の4.5の精度で進むと予測される。 地球上の1秒よりも10倍速く、約73年に1秒の周期である。 [ 6 ]メーザーの振動は時計の刻みを表しており、メーザーの高度が変化する際の周波数を測定することで、重力による時間の遅れの影響が検出された。
この実験の目的は、より高い重力ポテンシャルにおける時間の経過速度を測定することであった。そのため、この検証のために、探査機に搭載されたメーザーを、地球上に残された同様のメーザーと比較した。[ p 1 ] 2つの時計の速度を比較する前に、地球上の観測者と探査機の相対運動を補正するため、宇宙に送られたメーザーで測定された時計の速度からドップラーシフトを差し引いた。その後、2つの時計の速度を比較し、さらに、2つの時計の速度がどのように異なるべきかという理論的予測と比較した。メーザーの安定性により、 10分の1のメーザーの速度変化を測定することができた。100秒間の測定では14 。
この実験では、等価原理を検証することができました。重力プローブAは、重力井戸の奥深くでは時間の流れが遅くなるという予測を確認し[ 7 ]、観測された効果は予測された効果と約70ppmの精度で一致しました。
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