美國宇航局“重力探測器B”衛星 

美國宇航局“重力探測器B”衛星
 

地球周圍時空旋渦想象圖

      據國外媒體報道，2004年美國宇航局的“重力探測器B”衛星發射升空，其使命是驗證愛因斯坦廣義相對論中的兩個重要預言。如今三年過去了，根據“重力探測器B”發回的早期數據，在這位偉大理論物理學家提出的兩個重要預言中，至少有一個是正確的。

　　驗證廣義相對論兩大效應

　　正在分析“重力探測器B”衛星數據的科學家表示，他們將在接下來的八個月時間驗證愛因斯坦的另一個預言正確與否。“重力探測器B”衛星于2004年4月20日從美國加利福利亞發射升空。探測任務首席科學家在佛羅里達州杰克遜維爾召開的一次物理學會議上公布了此次試驗的部分細節。

　　“重力探測器B”衛星攜帶有四個超高精度陀螺儀，用于測試廣義相對論的兩個效應。其中一個稱為短程線效應(Geodetic effect)，另一個稱為坐標系拖曳效應(Frame?draging effect)。按照愛因斯坦的推理，他認為一個大質量天體，如地球，會讓周圍的時空扭曲，就像一顆保齡球放在軟床墊上形成的漩渦，而且天體的重力會拖著時空一起旋轉，這種扭轉效應稱為“坐標系拖曳”。

　　年底公布最終結果

　　短程線效應類似于一顆保齡球放在軟墊上，軟墊凹陷變形的形狀。如果保齡球接著旋轉，它將開始“死拉硬拽”軟墊隨著自己轉動。同樣，地球在旋轉時，也會以類似方式拖拉周圍時空旋轉，只不過這種轉動幅度很小，令人難以察覺。在一年時間內，這些效應可能會引起陀螺儀旋轉角度以微乎其微的量變化。

　　“重力探測器B”任務首席科學家、斯坦福大學教授弗朗西斯?埃福瑞特(Francis Everitt)在上周末于杰克遜維爾召開的美國物理學會大會上討論了衛星發回的初步結果。“重力探測器B”陀螺儀發回的數據將愛因斯坦短程線效應精確度確定為高于1%。斯坦福大學的科學家依舊會從這些數據中分析坐標系拖曳效應的信息。他們計劃于今年12月公布試驗的最后結果，即在對數據進行八個月分析之后。

　　帶來更多疑問

　　英國倫敦帝國學院物理學家蒂姆?蘇姆納教授在接受英國廣播公司(BBC)采訪時表示：“在現階段宣布研究初步結果非常鼓舞人心，這是通向最后重大發現的道路。研究結果如今終于公布了，我本人對此異常欣喜。然而，多數個別測量數據僅僅是更大謎團的一部分。廣義相對論是物理學的最大分支之一，但鑒于重力作為力的相對弱點，眼下對其測試的手段匱乏。我將會把這一步看作是鞏固廣義相對論可靠證據的一部分。廣義相對論在物理學領域具有特殊地位。”

　　加州斯坦福大學教授、“重力探測器B”項目主管威廉姆?本澤(William Bencze)說：“理解這些科學數據的細節就如同獲得重大考古發現。這就好比科學家剛開始使用推土機挖掘，接著用鐵鏟，最后用牙刷等用具將財寶上面的灰塵清理走。我們現在正過渡到使用牙刷的階段。”

　　邁出建立統一理論重要一步

　　蒂姆?蘇姆納教授表示，并沒有多少物理學家認為在這項試驗中看到背離愛因斯坦重大預言之處。但他同時表示，其他一些測試有可能開始揭示廣義相對論的缺陷，表明還應該對這項理論做出修正。物理學家一直未能將重力“融會貫通”，變成描述自然界基本粒子之間主要力量知識的統一理論。而對廣義相對論的修改則可能是建立這種統一理論的重要一步。

　　蘇姆納教授說：“科學家推測在某個階段我們將會揭露背離純粹的愛因斯坦廣義相對論之處。當你涉及非常強的重力場相互作用時，廣義相對論的其中一個方面就是沒有完善的理論基礎。部分天體物理學物體將會身處高重力場環境下，如一對對圍繞彼此旋轉的大質量黑洞。”

　　驗證等效原則成關鍵

　　美宇航局和歐洲航天局聯合實施的一項名為“Lisa”(鐳射干涉儀宇宙天線英文縮寫)的任務將會研究來自雙星系統的重力波。科學家認為廣義相對論在上述環境下會“垮臺”，但“Lisa”任務可能有助于科學家了解該理論如何在諸如一對對大質量黑洞等“高重力場”條件下發揮作用。

　　其它一些試驗將用于驗證等效原則(equivalence principle)，這也是廣義相對論重要基石之一。等效原則來自對兩個物體的觀察：在下落過程中，它們的加速度相同。蘇姆納教授說：“這僅僅是理論框架，從中我們也許會發現偏離等效原則之處。這也許能賦予我們找到前進道路的指示器。”

　　蘇姆納教授參與了兩個驗證等效原則的任務。其中一個是“Step”(等效原則衛星測試英文縮寫)，它是由參與“重力探測器B”任務的一些科學家提出的。另一項任務是“Gauge”(重要統一和重力探測者英文縮寫)。“重力探測器B”衛星于2004年4月20日從美國加州范登堡空軍基地發射，從2004年8月至2005年8月整整50周的時間內，“重力探測器B”衛星一刻不停地在向地面傳輸著數據。