广义相对论登上实验舞台

发布: | 发布时间:2011-05-16,星期一 | 阅读:2,116
来源:科学松鼠会

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物理学家在上周三的新闻发布会上发表声明,漂浮在太空中的4颗乒乓球刚刚证实了爱因斯坦广义相对论的两项重要预测。

“此项关乎宇宙理论的实验具有里程碑式的意义,爱因斯坦逃过一劫。”斯坦福大学的物理学家弗朗西斯•埃弗里特说,他是美国国家宇航局引力探测器B任务的首席研究员。

发射于2004年的引力探测器B用于检测地球重力对周围时空的影响。根据爱因斯坦的理论,地球会像弹簧床上的保龄球一样扭曲周围的时空。该现象被称为测地线效应。这个效应意味着地球大约40000公里的周长会被拖拽进周长较之短2.794厘米的浅锥体中。(这一句应该还是在说测地线效应吧,原来是平坦的格子,放一个重物上去,这里的格子就变形了,原来周长为xx的圆,就变成周长短一些的圆椎体了,大概这样的意思吧)

地球在自转的同时也会搅动周围的时空,类似水流在下水口形成的漩涡。这一效应被称为惯性系拖曳。

“想象一下把地球浸入蜂蜜的画面,你能想象出蜂蜜被地球拖拽的样子。”埃弗里特说,“这就是时空的状态,地球在拖拽周围的时空。”

这两种现象都是很微弱的,爱因斯坦自己也写道,“它们的数量级极小,所以通过实验室验证是不可想象的。”但是引力探测器B测量了这两种效应。该结果将发表 在《物理评论快报》上。这个航天器携带4个乒乓球大小的陀螺仪围绕地球运行了17个月。这些陀螺仪是用熔凝石英球制成的,它们保持着“最接近完美球体的人造物体”的吉尼斯纪录。球体由软金属铌覆盖,并用冷却到液氦温度。

在这种超低温度下,铌会变成超导体,电子在运动时不会损失能量。当球体旋转时,盘旋的电子会变成一颗小磁针(原文如此,不过按照维基百科的相关页面,这个实验是利用氦气气流推动球体转动,然后利用超导量子干涉仪,通过测量因为超导抗磁性使得铌层对外加磁场的响应而得出球体旋转的速度)。

在牛顿的宇宙模型中,引力探测器围绕地球旋转时,这个小指针会永远指向同一个方向。但是在爱因斯坦的模型中,由于地球对周围时空的扭曲和拖拽,陀螺仪指针会倾斜极其微小的角度[原文是sliver而不是silver]。南北的倾斜量表示测地线效应,东西的倾斜量表示惯性系拖曳效应。

埃弗里特说,指针在一年内仅移动了6000毫弧秒(人类头发宽度在10英里处观察时对应的角度)。尽管探测如此微小的偏移非常困难,但物理学家们确定出的测地线效应精确度达到了0.28%,惯性系拖曳效应的精确度达到20%。

埃弗里特说,因为广义相对论描述了大尺度的宇宙结构,所以引力探测器B的结果可以帮助物理学家们理解黑洞、伽马射线暴等宇宙现象。

引力探测器B是有史以来耗时最长的美国航空航天局(NASA)项目。计划开始于1963年,那时人类还没有踏上月球。人们用了约50年时间开发技术,以建造出足够灵敏的陀螺仪来探测引力效应。

与此同时,这些技术在美国宇航局其他地球观测卫星上也得到了应用,其中包括宇宙背景探测卫星。这颗探测卫星用来测量宇宙微波背景辐射,正是它为获得诺贝尔奖的宇宙大爆炸理论提供了证据。

引力探测器B外部审查委员会主席、圣路易斯华盛顿大学的物理学家克利福德•威尔盛赞研究团队做出了“崇高的”贡献,同时他还强调了检验基本理论的重要性,而不应该不加鉴别地就接受。

“虽然主流观点认为爱因斯坦是正确的,但科学上还没有完全地证明。”他说,“虽然这次的实验结果验证了爱因斯坦的理论,但是它并不非得如此。”

爱因斯坦的广义相对论是科学界普遍接受的理论,已经有诸多的实验验证。爱丁顿爵士于1919年带队在西非斯普林斯岛观测日全食发生时太阳附近的星星位置(数据比较粗略);60年代的时候,哈佛大学的科学家们通过研究放射性的铁57观测了相对论的引力红移现象(Pound-Rebka experiment);1976年,美国国家宇航局进行了引力探测器A项目,利用火箭携带精密的原子钟到10000千米高的太空,测量得到那里的时间比地表快了一百亿分之4.5;2010年,美国国家标准局的科学家利用高精密原子钟,测量出了33厘米高度差别导致的时间快慢变化(参考科学松鼠会资讯《科学证明,生活在高楼上衰老得更快》)。。。。。。而我们现在利用的卫星信号传递、GPS卫星导航以及其他的航空航天活动,离了广义相对论的知识,都会出问题。

这篇文章里的实验是一个比较有趣的实验,但是其物理意义没有这个新闻里面描述的那么夸张。爱因斯坦广义相对论的实验验证,他们不是第一个,也不会是最后一个。实验物理学家们通过精巧的设计,测量出了以前不能测量的物理效应,和已知的理论相吻合,同时这个过程中开发出来的技术对其他的科学或者技术有用,这就是很了不起的成果。或许在将来,科学家们会发现爱因斯坦的广义相对论也有局限性—在某些条件下和确定无疑的一些实验结果出现了偏差,那么理论会被修改,但是并不代表广义相对论被推翻了,只是我们更明晰了它的适用范围而已,正如计算普通低速物体的运动用牛顿力学就够了一样。

 



 

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