细微失真
在一定程度上,我们应该理解相对论

即使专业物理人知道很多,也不能说"真正的理解",我这一代非专业人士也只能通过隐喻和想象来理解。1915年,爱因斯坦将空间与时间结合成一个数学对象。
这个东西,叫做时空,具有与橡胶膜相似的性质:它变形。在其上面放置一个球(如太阳)会将膜向下压以形成一个凹坑。经过太阳附近的物体将落入坑中。当然,我们通常称这种现象为物体受到太阳引力的现象。
根据我们的日常经验,光的路径是最直和最短的。然而,即使没有质量的光在穿过弯曲空间时也会弯曲路径,但这条路径仍然是弯曲空间中最短的路径,称为测地线。当光线经过一个大质量物体附近时,引力路径被偏转,称为测地线效应。
偏转的程度可以根据光速和天体的质量来计算。爱因斯坦计算出太阳附近光线的偏转角为1.7度。1919年,英国天文学家爱丁顿(传说他吹嘘自己是除爱因斯坦之外唯一了解相对论的人)带领一个观测小组证实,在日全食期间,星光在太阳附近经过时确实偏转了。广义相对论得到了实验证据的支持,这是科学史上的一个重要转折点。
另一个著名的相对论测试是在1976年6月18日。美国宇航局的引力探测 一颗卫星在10,000公里的高度进入轨道,携带超精密的原子钟在大西洋上空飞行了116分钟。
与此同时,另一个相同的,经过校准的原子钟在地面上运行。正如相对论所预测的那样,卫星携带的原子钟的速率与地面原子钟的速率不同。
换句话说,重力影响时间的速度,这就是引力红移效应。
广义相对论预言了另一个更微弱的时空扭曲,由奥地利物理学家约瑟夫·兰斯和汉斯·蒂林在1918年提出。他们说,除了测地线效应引起的空间弯曲之外,旋转的物体,特别是大质量物质,还可以由于旋转而产生另一种称为"惯性拉扯"的空间扭曲效应,其中勺子在糖浆中搅拌以形成涡旋。这种效应比测地线效应弱得多,因此在提出后80多年没有经过测试。在1990年代后期,一些X射线天文学家认为他们已经间接观察到了这种效应。围绕着一颗质量巨大的中子星或黑洞,
有旋转的气体尘埃盘,发出强烈的X射线流。如果旋转的中子星或黑洞扭曲了周围的时空,它会震动尘埃盘,导致X射线流发生变化。科学家说,他们已经观察到了这种变化。然而,一些与"惯性阻力"效应无关的理论似乎解释了这种变化,因此这不是确凿的证据。
引力探测B的任务是以前所未有的精度观察测地线效应,然后推断其效应,并从剩余数据中直接寻找惯性阻力效应的迹象。
精度,更精确
重力检测B的核心组件是四个陀螺仪。这种元件也称为陀螺仪,通常用于定位和稳定飞机。从理论上讲,引力探测B很简单:将陀螺仪连接到望远镜上,望远镜在飞行过程中总是面向恒星,使陀螺仪的轴线与望远镜与恒星之间的直线重合。当地球旋转时,围绕它形成时间和空间的漩涡,陀螺仪的轴稍微偏转。仔细确定偏转程度,排除地球自身质量引起的空间弯曲的影响,可以观察到时空涡旋的存在。
就像在猫的脖子上挂一个铃铛听起来很容易一样,在实际操作中也存在巨大的技术困难,引力探测B也是如此。问题在于"惯性阻力"效应太弱。计算表明,地球的这种影响将导致这些陀螺仪的旋转轴偏转41%或角秒。这个角度大致相当于从华盛顿观看放置在洛杉矶的硬币的角度。
重力探测B的四个陀螺仪是世界上最复杂的陀螺仪,其主要部件由石英制成。这是一种非常稳定的矿物质,基本上不受温度变化的影响。每个陀螺仪的转子都是一个乒乓球大小的石英球,表面上有一层非常薄的金属钯,以每分钟10,000转的速度旋转。这些石英球是人类有史以来最接近完美球体的东西。即使它和地球一样大,其表面最高峰的顶点与最深沟的底部之间的高度差也小于5米。
陀螺仪封装在一个2.74米长的结构中,形状像香烟。在这种结构中,它比外太空空空十倍,接近绝对真空。外侧是一个装有2,441升液氦的罐子。这些液氦的温度仅比绝对零度高1.8°C,用于冷却陀螺仪,避免热量影响实验结果。这样的低温足以使石英球表面的金属钯进入超导状态,石英球旋转轴的方向由超导体的磁场决定。
除核心转子外,其他组件还尽一切可能消除任何电气或机械缺陷的影响。此外,还观测了用于定位恒星的飞马座中一对双星的运动,同时考虑到这一因素,以确保恒星位置的微小漂移不会造成误导或损失。至于卫星本身的轨道,它也是一个近乎完美的圆。
引力探测B卫星由斯坦福大学设计,由洛克希德·马丁公司建造,重3,100公斤,长6.43米,直径2.64米。如果你拆下太阳能电池板,它看起来有点像水泥搅拌机。这种巨大,沉重且异常复杂的东西自然非常昂贵。这是美国宇航局决定启动的首批项目之一,但高投标利润率几乎使其结束。尤其是因为它正在测试一个几乎没有人怀疑的理论。尽管负责该项目的科学家已经非常高调地表示,他们对所有结果都持"开放态度",但广义相对论被实验推翻的可能性很小。
引力探测B可以追溯到近半个世纪以前。该计划于1959年首次提出,并于1963年获得NASA的第一笔资助。但技术条件不足以实施该计划。在此期间,美国宇航局于1976年实施了引力调查A计划,证实了引力红移效应。但在实验成功的第二年,NASA的资金到期,引力探索B项目停滞不前。
该项目在20世纪80年代初恢复。科学家曾打算使用航天飞机将卫星送入轨道,但1986年的挑战者号爆炸取消了该计划,Delta 2火箭成为引力探测B的新飞行器。在随后的几年里,该项目的进展比预期的要慢。它曾多次面临被国会终止的危险,但每次科学家都成功地说服立法者保留该项目。
上一次生死攸关的决定是在2003年。当卫星组装并进行热真空实验时,它遇到了一些问题。美国宇航局几乎结束了漫长的计划,但考虑到热真空实验的问题是小技术问题,它幸存了下来。2004年4月20日,引力测量B终于从加利福尼亚州的范登堡空军基地发射升空。
火箭升空了
并非每个参与其中的科学家都有幸看到它飞入太空。该项目的创始人伦纳德·希夫(Leonard Schiff)教授于1971年去世。其中一位负责的科学家,斯坦福大学教授弗朗西斯·艾维特(Francis Ivett)于1960年离开他的祖国英国,在美国呆了两三年,直到40年后的1962年才加入该计划。这个跨世纪的项目已经产生了94个博士学位,15个工程硕士学位和300多个研究职位。
所有这些努力都旨在实现一个目的:证实广义相对论的预言。实验结果不仅仅是广义相对论的正确或错误数字,而是帮助科学家发现是否可以检测到爱因斯坦理论预测的微弱效应,该项目的科学主任布奇曼说。"这将帮助我们更好地理解相对论。