解析美发射探测卫星验证90年前爱因斯坦预言

http://www.sciencehuman.com   科学人 网站 2004-04-18

工作人员正在对重力探测器B进行最后总装

陀螺仪上的球体直径只有3.8厘米，是目前最完美的球体

地球重力场时空扭曲效果图

重力探测器B在地球极地轨道展开后的形态

　　新京报综合报道 自从爱因斯坦在90年前提出了有关重力是场而非力的概念后，对此概念进行测试的最精确的陀螺仪和搭载它的火箭已经在美国准备就绪。来自美国宇航局的消息称，当地时间4月19日，重力探测器B将被送入地球极地轨道，对爱因斯坦广义相对论中有关时空会因旋转物体产生扭曲的推断进行直接验证。

　　这个项目已经创造了一项记录———耗时最长。从美国宇航局1964年对该计划立项以来，整个工程历经波折，先后下马7次，前后共耗资7亿美元，最后才终于得以实现。

　　验证“惯性系拖拉”现象

　　爱因斯坦提出的广义相对论是现代物理学的奠基石，其要义是两个物体间之所以存在引力，是因为重力场使四维时空发生扭曲。1919年发生日食时的观测结果证实太阳的重力使星光弯曲。1976年，美国宇航局的重力探测A计划，把一个原子钟送入离地1万公里的太空中，证实了爱因斯坦提出的重力会使时间慢下来的推测。

　　但是，重力探测B计划试图测量的是爱因斯坦理论中更奇怪的现象———“惯性系拖拉”（framedragging），即一个偏轴旋转物体的重力场造成的时空的扭曲。

　　理论上说，可以通过监视绕地球运行的一个陀螺仪的转轴位置来验证时空扭曲的发生。在确定了参考星座后，如果发生时空扭曲，那么陀螺仪的转轴和参考星座的方向关系就会发生改变。加州理工学院的重力物理学家吉普·索恩说，测量太阳系的时空扭曲效果可以帮助科学家更好理解黑洞的现象。

　　第一个直接测试该现象的空间设备

　　重力探测B设备的原理简单说就是，根据牛顿力学原理，一个陀螺仪和一个参考星座方向对齐后，如果没有外力干扰，就会始终保持对齐。但是根据爱因斯坦理论，由于地球自转和重力场引起的时空扭曲会造成陀螺仪和参考星座的相对方向发生改变。

　　在美国宇航局的消息发布会上，索恩称即将发射的重力探测器B是第一个直接测试这种现象的空间设备。

　　索恩说，“我们从来没有见过空间被一个运动的物体拖拉产生扭曲。”他说，这是爱因斯坦广义相对论中的一个主要结论，虽然有科学家通过其他实验间接验证了该结论，但是目前为止还没有实际的实验直接对其验证。

　　索恩说，现代宇宙学的很多方面依赖爱因斯坦的理论来解释天文现象，比如对黑洞这样一个超密度物体使光线不能逃逸的解释。

　　最完美的球体

　　此次空间实验所用的关键设备陀螺仪包括目前为止最精确的球体。

　　重力探测B设备有四个小型陀螺仪，每个陀螺仪的球体是乒乓球大小。据美国宇航局称，这是目前为止人类制做的最完美的球体。石英球体镀了一层超导膜，据斯坦福大学的科学家弗朗西丝·艾福利特说，每个陀螺仪的精度都是目前同类航天设备的100万倍以上。

　　在重力探测器被送入离地400英里高轨道后，将锁定一颗参考星座达13个月之久。期间，传感器会记录下有关陀螺仪轴心偏离的证据，从而对爱因斯坦的理论进行验证。美国国家科学研究委员会认为，如果该实验成功，那么它将成为验证物理理论的一个经典实验。如果没有发现爱因斯坦理论的佐证，这次实验也将是革命性的，因为那意为着现代物理的基石———广义相对论将被改写。（新京报）

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