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愛因斯坦預言得到證實 發現時空漩渦(組圖)

2011-05-07 20:30 桌面版 简体 1
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這是一張示意圖,顯示引力探測衛星-2號正在太空測量地球周圍存在的時空扭曲效應。(網路圖片)


這是引力探測衛星-2號陀螺儀使用的其中一個超完美球體。(網路圖片)


這是一張示意圖,展示一個黑洞周圍存在高度扭曲的時空。(網路圖片)

據美國宇航局網站報導,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布會上公布的消息,探測的結果來自對該局實施的引力探測衛星B(GP-B)計畫的數據分析結果。

引力探測衛星B項目首席科學家,斯坦福大學物理學家弗朗西斯·艾福瑞特(Francis Everitt)表示:「正如廣義相對論預言的那樣,地球附近確實存在時空扭曲。」

而美國華盛頓大學聖路易斯分校的克利福德·威爾(Clifford Will)表示:「這是一個歷史性的時刻。」威爾是愛因斯坦理論研究方面的專家,他目前正擔任美國國家研究理事會一個獨立下設委員會的主席職務。這一委員會於1998年由美國宇航局創立,其主要目的便是對引力探測衛星B的數據進行檢查和評估。他說:「有一天,今天的這個實驗將被作為經典案例寫進物理學教科書。」

根據愛因斯坦的相對論,空間和時間是交織在一起的,形成一種被他稱為「時空」的四維結構。地球的質量會在這種結構上產生「凹陷」,這很像是一個成年人站在蹦床上陷進去的情形。愛因斯坦指出,引力的本質僅僅只是物體圍繞這種時空凹陷的曲線邊緣運動的外在表現。

如果地球是靜止的,那這種擾動將不復存在。但是地球並非靜止不動,我們的地球在不停旋轉,這種旋轉會產生擾動,儘管非常輕微,但仍然會產生一種四維漩渦。而這就是2004年發射進入太空的引力探測衛星-B所要探測的目標。

實驗的原理

這一實驗項目背後的科學原理非常簡單:科學家們將一個陀螺儀送上地球軌道,使它的一個旋轉軸指向一顆遙遠的恆星作為參考點。在沒有任何外力作用的情況下,這一旋轉軸應當永遠指向這一顆恆星。但如果空間是扭曲的,那麼陀螺儀的指向會隨著時間推移發生改變。通過對這種改變的精密檢測,科學家們能瞭解時空彎曲的相關信息。

這說起來似乎很簡單,但真正做起來卻非常艱難。

首先,製造引力探測器B中4個高精度陀螺儀需要用到精度極高的球體。事實上,這些陀螺儀內部的轉子是人類迄今製造過的最完美球體。它們的大小約相當於一個乒乓球,由熔凝石英和硅材料製成,其相對完美球體的誤差在任何方向都不超過40個原子的厚度。這樣高的精度是必須的,因為如果不是這樣做,那麼這些陀螺儀轉軸的晃動將出現誤差。

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數,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侷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,著名物理學家埃里克·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

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里克·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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