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廣義相對論登上實驗舞台

物理學家在上週三的新聞發佈會上發表聲明,漂浮在太空中的4顆乒乓球剛剛證實了愛因斯坦廣義相對論的兩項重要預測。

「此項關乎宇宙理論的實驗具有里程碑式的意義,愛因斯坦逃過一劫。」斯坦福大學的物理學家弗朗西斯•埃弗裡特說,他是美國國家太空總署引力探測器B任務的首席研究員。

發射於2004年的引力探測器B用於檢測地球重力對周圍時空的影響。根據愛因斯坦的理論,地球會像彈簧床上的保齡球一樣扭曲周圍的時空。該現象被稱為測地線效應。這個效應意味著地球大約40000公里的周長會被拖拽進周長較之短2.794釐米的淺錐體中。(這一句應該還是在說測地線效應吧,原來是平坦的格子,放一個重物上去,這裡的格子就變形了,原來周長為xx的圓,就變成周長短一些的圓錐體了,大概這樣的意思吧)

地球在自轉的同時也會攪動周圍的時空,類似水流在下水口形成的漩渦。這一效應被稱為慣性系拖曳。

「想像一下把地球浸入蜂蜜的畫面,你能想像出蜂蜜被地球拖拽的樣子。」埃弗裡特說,「這就是時空的狀態,地球在拖拽周圍的時空。」

這兩種現象都是很微弱的,愛因斯坦自己也寫道,「它們的數量級極小,所以通過實驗室驗證是不可想像的。」但是引力探測器B測量了這兩種效應。該結果將發表 在《物理評論快報》上。這個航天器攜帶4個乒乓球大小的陀螺儀圍繞地球運行了17個月。這些陀螺儀是用熔凝石英球製成的,它們保持著「最接近完美球體的人造物體」的吉尼斯紀錄。球體由軟金屬鈮覆蓋,並用冷卻到液氦溫度。

在這種超低溫度下,鈮會變成超導體,電子在運動時不會損失能量。當球體旋轉時,盤旋的電子會變成一顆小磁針(原文如此,不過按照維基百科的相關頁面,這個實驗是利用氦氣氣流推動球體轉動,然後利用超導量子干涉儀,通過測量因為超導抗磁性使得鈮層對外加磁場的響應而得出球體旋轉的速度)。

在牛頓的宇宙模型中,引力探測器圍繞地球旋轉時,這個小指針會永遠指向同一個方向。但是在愛因斯坦的模型中,由於地球對周圍時空的扭曲和拖拽,陀螺儀指針會傾斜極其微小的角度[原文是sliver而不是silver]。南北的傾斜量表示測地線效應,東西的傾斜量表示慣性系拖曳效應。

埃弗裡特說,指針在一年內僅移動了6000毫弧秒(人類頭髮寬度在10英里處觀察時對應的角度)。儘管探測如此微小的偏移非常困難,但物理學家們確定出的測地線效應精確度達到了0.28%,慣性系拖曳效應的精確度達到20%。

埃弗裡特說,因為廣義相對論描述了大尺度的宇宙結構,所以引力探測器B的結果可以幫助物理學家們理解黑洞、伽馬射線暴等宇宙現象。

引力探測器B是有史以來耗時最長的美國太空總署(NASA)項目。計劃開始於1963年,那時人類還沒有踏上月球。人們用了約50年時間開發技術,以建造出足夠靈敏的陀螺儀來探測引力效應。

與此同時,這些技術在美國太空總署其他地球觀測衛星上也得到了應用,其中包括宇宙背景探測衛星。這顆探測衛星用來測量宇宙微波背景輻射,正是它為獲得諾貝爾獎的宇宙大爆炸理論提供了證據。

引力探測器B外部審查委員會主席、聖路易斯華盛頓大學的物理學家克利福德•威爾盛讚研究團隊做出了「崇高的」貢獻,同時他還強調了檢驗基本理論的重要性,而不應該不加鑑別地就接受。

「雖然主流觀點認為愛因斯坦是正確的,但科學上還沒有完全地證明。」他說,「雖然這次的實驗結果驗證了愛因斯坦的理論,但是它並不非得如此。」

愛因斯坦的廣義相對論是科學界普遍接受的理論,已經有諸多的實驗驗證。愛丁頓爵士於1919年帶隊在西非斯普林斯島觀測日全食發生時太陽附近的星星位置(數據比較粗略);60年代的時候,哈佛大學的科學家們通過研究放射性的鐵57觀測了相對論的引力紅移現象(Pound-Rebka experiment);1976年,美國國家太空總署進行了引力探測器A項目,利用火箭攜帶精密的原子鐘到10000公里高的太空,測量得到那裡的時間比地表快了一百億分之4.5;2010年,美國國家標準局的科學家利用高精密原子鐘,測量出了33釐米高度差別導致的時間快慢變化(參考科學松鼠會資訊《科學證明,生活在高樓上衰老得更快》),而我們現在利用的衛星信號傳遞、GPS衛星導航以及其他的航空航天活動,離了廣義相對論的知識,都會出問題。

這篇文章裡的實驗是一個比較有趣的實驗,但是其物理意義沒有這個新聞裡面描述的那麼誇張。愛因斯坦廣義相對論的實驗驗證,他們不是第一個,也不會是最後一個。實驗物理學家們通過精巧的設計,測量出了以前不能測量的物理效應,和已知的理論相吻合,同時這個過程中開發出來的技術對其他的科學或者技術有用,這就是很了不起的成果。或許在將來,科學家們會發現愛因斯坦的廣義相對論也有侷限性—在某些條件下和確定無疑的一些實驗結果出現了偏差,那麼理論會被修改,但是並不代表廣義相對論被推翻了,只是我們更明晰了它的適用範圍而已,正如計算普通低速物體的運動用牛頓力學就夠了一樣。

來源:果殼網「科技名博」主題站wired網站5月4日報導

沐右Sheldon 審稿 / 本文來自科學松鼠會資訊小分隊

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