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地球周圍發現時空漩渦:愛因斯坦預言得到證實



愛因斯坦的預言再一次得到了證實!科學家們經過仔細的檢測,發現地球周圍確實存在時空漩渦,並且其各項參數和愛因斯坦廣義相對論預言的完全符合。

這是此間在美國宇航局總部舉行的一場新聞發佈會上公佈的消息,探測的結果來自對該局實施的引力探測衛星B(GP-B)計劃的數據分析結果。
引力探测卫星B项目首席科学家,斯坦福大学物理学家弗朗西斯・艾福瑞特(Francis Everitt)表示:“正如广义相对论预言的那样,地球附近确实存在时空扭曲。”

而美国华盛顿大学圣路易斯分校的克利福德・威尔(Clifford Will)表示:“这是一个历史性的时刻。”威尔是爱因斯坦理论研究方面的专家,他目前正担任美国国家研究理事会一个独立下设委员会的主席职务。这一委员会于1998年由美国宇航局创立,其主要目的便是对引力探测卫星B的数据进行检查和评估。他说:“有一天,今天的这个实验将被作为经典案例写进物理学教科书。”

根据爱因斯坦的相对论,空间和时间是交织在一起的,形成一种被他称为“时空”的四维结构。地球的质量会在这种结构上产生“凹陷”,这很像是一个成年人站在蹦床上陷进去的情形。爱因斯坦指出,引力的本质仅仅只是物体围绕这种时空凹陷的曲线边缘运动的外在表现。

如果地球是静止的,那这种扰动将不复存在。但是地球并非静止不动,我们的地球在不停旋转,这种旋转会产生扰动,尽管非常轻微,但仍然会产生一种四维漩涡。而这就是2004年发射进入太空的引力探测卫星-B所要探测的目标。

实验的原理

这一实验项目背后的科学原理非常简单:科学家们将一个陀螺仪送上地球轨道,使它的一个旋转轴指向一颗遥远的恒星作为参考点。在没有任何外力作用的情况下,这一旋转轴应当永远指向这一颗恒星。但如果空间是扭曲的,那么陀螺仪的指向会随着时间推移发生改变。通过对这种改变的精密检测,科学家们能了解时空弯曲的相关信息。

这说起来似乎很简单,但真正做起来却非常艰难。

首先,制造引力探测器B中4个高精度陀螺仪需要用到精度极高的球体。事实上,这些陀螺仪内部的转子是人类迄今制造过的最完美球体。它们的大小约相当于一个乒乓球,由熔凝石英和硅材料制成,其相对完美球体的误差在任何方向都不超过40个原子的厚度。这样高的精度是必须的,因为如果不是这样做,那么这些陀螺仪转轴的晃动将出现误差。

根據愛因斯坦理論進行的估算顯示,地球周圍空間的時空扭曲將導致陀螺儀旋轉軸出現每年0.041弧秒的改變。1弧秒等於1/3600度。為了測出這樣微小 的改變量,GP-B探測器必須具備0.0005弧秒的精度。這就相當於讓你測量放在100英里(約合161公里)之外的一張紙的厚度。

對此,威爾說:「GP-B探測器項目的工程師們不得不發明一整套全新的技術來滿足這種不可思議的要求。」

舉 幾個例子,工程師們開發了一種「無拖曳」衛星技術,它可以讓衛星擦過地球最外層大氣卻不會造成對其內部陀螺儀的擾動。他們還開發出獨特的技術來防止地球磁 場穿透探測器從而影響其測試精度。最後,他們還設計出一種技術來測量陀螺儀的旋轉角度,但整個過程中不會觸碰到陀螺儀從而對其造成影響。

即便克服了製造和設計上的技術困難,進行這項精度空前的實驗本身同樣是一個巨大的挑戰,但經過一年的數據收集和將近5年的數據分析,GP-B項目的科學家們認為他們已經幾乎接近完成這項工作。

艾福瑞特說:「我們測量到測地線效應值為+6.600或-0.017,慣性系拖曳效應值為+0.039或-0.007。」

測地線效應是指由於地球的靜止質量引起的陀螺旋轉軸改變,也即時空的凹陷。而慣性系拖曳效應則是由於地球自轉導致的陀螺旋轉軸改變,也即時空的扭曲。測量得到的這兩組數據都和愛因斯坦理論的預測非常吻合。

偉大的實驗

威爾說:「根據我領導的委員會對此的看法,這項工作簡直具有英雄氣概。我們都被驚呆了!」

引 力探測衛星-B的測量結果具有革命性意義,因為它讓物理學家們更有信心,愛因斯坦的理論看上去實在非常古怪,讓人難以接受,但事實反覆證明它確實是正確 的,並且可能是一個普遍的理論。地球附近空間存在的時空漩渦在其它大質量天體附近也一樣存在,如中子星,黑洞和活動星系核等,只不過那裡的時空漩渦更加劇 烈,規模更加大而已。

威爾說:「如果你想在一個黑洞周圍高度扭曲的時空中完陀螺,它不會出現那麼輕柔的偏轉,它會劇烈晃動,甚至整個倒過來。」

在 雙黑洞系統中,兩個黑洞相互繞轉,而黑洞本身也在自轉,它的本身就相當於一個旋轉的陀螺。想像一下,一對相互繞轉,存在自轉,還在瘋狂晃動翻轉的黑洞吧! 這雖然聽起來實在非常詭異,但這就是愛因斯坦的廣義相對論所預言的。而這一次引力探測器-B的測量結果則證明,這種情形是確實可能的!

這項偉大實驗的意義還不僅僅局限在對廣義相對論的檢驗,它還深刻影響了數百位年輕物理學家的生活。

艾 福瑞特說:「由於這項實驗主要以大學為主導進行,很多學生直接參與到了研究工作當中。斯坦福大學有超過86位博士生參與了研究工作,還有14位來自其他大 學的學生獲准加入了科學團隊。除此之外,數百名本科生和55名高中生也參與了項目的輔助工作。宇航員薩利・賴德(Sally Ride)和諾貝爾獎獲得者,著名物理學家埃裡克・康奈爾(Eric Cornell)也加入了這項實驗工作。」

美國宇航局自1963年開 始便持續撥款支持引力探測器-B的研究開發工作。這意味著艾福瑞特和他的一部分同事們已經在這個項目的設計、建造、運行和數據分析工作上花費了整整47年 時間!從而使其成為美國國家航空航天局(NASA)歷史上研發持續時間最長的科學項目。這確確實實是一項史詩般的工程!

未來的路

那麼接下來呢?

艾福瑞特想起了他的論文導師,諾貝爾獎獲得者,著名實驗物理學家帕特裡克・布萊克特(Patrick M.S. Blackett)給他提出的建議:「如果你在物理學研究上不知道下一步該做什麼,那麼就試著開發一些新技術,它們會帶你找到新的方向。」

艾福瑞特說:「好吧,我們在研製引力探測器-B的過程中開發了13種新技術,誰知道這些新技術會將我們引向何方呢?」不過畢竟,這條史詩般的漫漫科學之路,我們已經邁出了第一步。

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