細微失真
在一定程度上,我們應該了解相對論

即使專業實體人知道很多,也不能說"真正的了解",我這一代非專業人士也隻能通過隐喻和想象來了解。1915年,愛因斯坦将空間與時間結合成一個數學對象。
這個東西,叫做時空,具有與橡膠膜相似的性質:它變形。在其上面放置一個球(如太陽)會将膜向下壓以形成一個凹坑。經過太陽附近的物體将落入坑中。當然,我們通常稱這種現象為物體受到太陽引力的現象。
根據我們的日常經驗,光的路徑是最直和最短的。然而,即使沒有品質的光在穿過彎曲空間時也會彎曲路徑,但這條路徑仍然是彎曲空間中最短的路徑,稱為測地線。當光線經過一個大品質物體附近時,引力路徑被偏轉,稱為測地線效應。
偏轉的程度可以根據光速和天體的品質來計算。愛因斯坦計算出太陽附近光線的偏轉角為1.7度。1919年,英國天文學家愛丁頓(傳說他吹噓自己是除愛因斯坦之外唯一了解相對論的人)帶領一個觀測小組證明,在日全食期間,星光在太陽附近經過時确實偏轉了。廣義相對論得到了實驗證據的支援,這是科學史上的一個重要轉折點。
另一個著名的相對論測試是在1976年6月18日。美國宇航局的引力探測 一顆衛星在10,000公裡的高度進入軌道,攜帶超精密的原子鐘在大西洋上空飛行了116分鐘。
與此同時,另一個相同的,經過校準的原子鐘在地面上運作。正如相對論所預測的那樣,衛星攜帶的原子鐘的速率與地面原子鐘的速率不同。
換句話說,重力影響時間的速度,這就是引力紅移效應。
廣義相對論預言了另一個更微弱的時空扭曲,由奧地利實體學家約瑟夫·蘭斯和漢斯·蒂林在1918年提出。他們說,除了測地線效應引起的空間彎曲之外,旋轉的物體,特别是大品質物質,還可以由于旋轉而産生另一種稱為"慣性拉扯"的空間扭曲效應,其中勺子在糖漿中攪拌以形成渦旋。這種效應比測地線效應弱得多,是以在提出後80多年沒有經過測試。在1990年代後期,一些X射線天文學家認為他們已經間接觀察到了這種效應。圍繞着一顆品質巨大的中子星或黑洞,
有旋轉的氣體塵埃盤,發出強烈的X射線流。如果旋轉的中子星或黑洞扭曲了周圍的時空,它會震動塵埃盤,導緻X射線流發生變化。科學家說,他們已經觀察到了這種變化。然而,一些與"慣性阻力"效應無關的理論似乎解釋了這種變化,是以這不是确鑿的證據。
引力探測B的任務是以前所未有的精度觀察測地線效應,然後推斷其效應,并從剩餘資料中直接尋找慣性阻力效應的迹象。
精度,更精确
重力檢測B的核心元件是四個陀螺儀。這種元件也稱為陀螺儀,通常用于定位和穩定飛機。從理論上講,引力探測B很簡單:将陀螺儀連接配接到望遠鏡上,望遠鏡在飛行過程中總是面向恒星,使陀螺儀的軸線與望遠鏡與恒星之間的直線重合。當地球旋轉時,圍繞它形成時間和空間的漩渦,陀螺儀的軸稍微偏轉。仔細确定偏轉程度,排除地球自身品質引起的空間彎曲的影響,可以觀察到時空渦旋的存在。
就像在貓的脖子上挂一個鈴铛聽起來很容易一樣,在實際操作中也存在巨大的技術困難,引力探測B也是如此。問題在于"慣性阻力"效應太弱。計算表明,地球的這種影響将導緻這些陀螺儀的旋轉軸偏轉41%或角秒。這個角度大緻相當于從華盛頓觀看放置在洛杉矶的硬币的角度。
重力探測B的四個陀螺儀是世界上最複雜的陀螺儀,其主要部件由石英制成。這是一種非常穩定的礦物質,基本上不受溫度變化的影響。每個陀螺儀的轉子都是一個乒乓球大小的石英球,表面上有一層非常薄的金屬钯,以每分鐘10,000轉的速度旋轉。這些石英球是人類有史以來最接近完美球體的東西。即使它和地球一樣大,其表面最高峰的頂點與最深溝的底部之間的高度差也小于5米。
陀螺儀封裝在一個2.74米長的結構中,形狀像香煙。在這種結構中,它比外太空空空十倍,接近絕對真空。外側是一個裝有2,441升液氦的罐子。這些液氦的溫度僅比絕對零度高1.8°C,用于冷卻陀螺儀,避免熱量影響實驗結果。這樣的低溫足以使石英球表面的金屬钯進入超導狀态,石英球旋轉軸的方向由超導體的磁場決定。
除核心轉子外,其他元件還盡一切可能消除任何電氣或機械缺陷的影響。此外,還觀測了用于定位恒星的飛馬座中一對雙星的運動,同時考慮到這一因素,以確定恒星位置的微小漂移不會造成誤導或損失。至于衛星本身的軌道,它也是一個近乎完美的圓。
引力探測B衛星由斯坦福大學設計,由洛克希德·馬丁公司建造,重3,100公斤,長6.43米,直徑2.64米。如果你拆下太陽能電池闆,它看起來有點像水泥攪拌機。這種巨大,沉重且異常複雜的東西自然非常昂貴。這是美國宇航局決定啟動的首批項目之一,但高投标利潤率幾乎使其結束。尤其是因為它正在測試一個幾乎沒有人懷疑的理論。盡管負責該項目的科學家已經非常高調地表示,他們對所有結果都持"開放态度",但廣義相對論被實驗推翻的可能性很小。
引力探測B可以追溯到近半個世紀以前。該計劃于1959年首次提出,并于1963年獲得NASA的第一筆資助。但技術條件不足以實施該計劃。在此期間,美國宇航局于1976年實施了引力調查A計劃,證明了引力紅移效應。但在實驗成功的第二年,NASA的資金到期,引力探索B項目停滞不前。
該項目在20世紀80年代初恢複。科學家曾打算使用航天飛機将衛星送入軌道,但1986年的挑戰者号爆炸取消了該計劃,Delta 2火箭成為引力探測B的新飛行器。在随後的幾年裡,該項目的進展比預期的要慢。它曾多次面臨被國會終止的危險,但每次科學家都成功地說服立法者保留該項目。
上一次生死攸關的決定是在2003年。當衛星組裝并進行熱真空實驗時,它遇到了一些問題。美國宇航局幾乎結束了漫長的計劃,但考慮到熱真空實驗的問題是小技術問題,它幸存了下來。2004年4月20日,引力測量B終于從加利福尼亞州的範登堡空軍基地發射升空。
火箭升空了
并非每個參與其中的科學家都有幸看到它飛入太空。該項目的創始人倫納德·希夫(Leonard Schiff)教授于1971年去世。其中一位負責的科學家,斯坦福大學教授弗朗西斯·艾維特(Francis Ivett)于1960年離開他的祖國英國,在美國呆了兩三年,直到40年後的1962年才加入該計劃。這個跨世紀的項目已經産生了94個博士學位,15個工程碩士學位和300多個研究職位。
所有這些努力都旨在實作一個目的:證明廣義相對論的預言。實驗結果不僅僅是廣義相對論的正确或錯誤數字,而是幫助科學家發現是否可以檢測到愛因斯坦理論預測的微弱效應,該項目的科學主任布奇曼說。"這将幫助我們更好地了解相對論。