爱因斯坦预言得到证实 发现时空漩涡(组图)

2011-05-07 20:30

这是一张示意图，显示引力探测卫星-2号正在太空测量地球周围存在的时空扭曲效应。(网络图片)

这是引力探测卫星-2号陀螺仪使用的其中一个超完美球体。(网络图片)

这是一张示意图，展示一个黑洞周围存在高度扭曲的时空。(网络图片)

据美国宇航局网站报道，爱因斯坦的预言再一次得到了证实！科学家们经过仔细的检测，发现地球周围确实存在时空漩涡，并且其各项参数和爱因斯坦广义相对论预言的完全符合。

这是此间在美国宇航局总部举行的一场新闻发布会上公布的消息，探测的结果来自对该局实施的引力探测卫星B(GP-B)计划的数据分析结果。

引力探测卫星B项目首席科学家，斯坦福大学物理学家弗朗西斯·艾福瑞特(Francis Everitt)表示：“正如广义相对论预言的那样，地球附近确实存在时空扭曲。”

而美国华盛顿大学圣路易斯分校的克利福德·威尔(Clifford Will)表示：“这是一个历史性的时刻。”威尔是爱因斯坦理论研究方面的专家，他目前正担任美国国家研究理事会一个独立下设委员会的主席职务。这一委员会于1998年由美国宇航局创立，其主要目的便是对引力探测卫星B的数据进行检查和评估。他说：“有一天，今天的这个实验将被作为经典案例写进物理学教科书。”

根据爱因斯坦的相对论，空间和时间是交织在一起的，形成一种被他称为“时空”的四维结构。地球的质量会在这种结构上产生“凹陷”，这很像是一个成年人站在蹦床上陷进去的情形。爱因斯坦指出，引力的本质仅仅只是物体围绕这种时空凹陷的曲线边缘运动的外在表现。

如果地球是静止的，那这种扰动将不复存在。但是地球并非静止不动，我们的地球在不停旋转，这种旋转会产生扰动，尽管非常轻微，但仍然会产生一种四维漩涡。而这就是2004年发射进入太空的引力探测卫星-B所要探测的目标。

实验的原理

这一实验项目背后的科学原理非常简单：科学家们将一个陀螺仪送上地球轨道，使它的一个旋转轴指向一颗遥远的恒星作为参考点。在没有任何外力作用的情况下，这一旋转轴应当永远指向这一颗恒星。但如果空间是扭曲的，那么陀螺仪的指向会随着时间推移发生改变。通过对这种改变的精密检测，科学家们能了解时空弯曲的相关信息。

这说起来似乎很简单，但真正做起来却非常艰难。

首先，制造引力探测器B中4个高精度陀螺仪需要用到精度极高的球体。事实上，这些陀螺仪内部的转子是人类迄今制造过的最完美球体。它们的大小约相当于一个乒乓球，由熔凝石英和硅材料制成，其相对完美球体的误差在任何方向都不超过40个原子的厚度。这样高的精度是必须的，因为如果不是这样做，那么这些陀螺仪转轴的晃动将出现误差。

根据爱因斯坦理论进行的估算显示，地球周围空间的时空扭曲将导致陀螺仪旋转轴出现每年0.041弧秒的改变。1弧秒等于1/3600度。为了测出这样微小的改变量，GP-B探测器必须具备0.0005弧秒的精度。这就相当于让你测量放在100英里(约合161公里)之外的一张纸的厚度。

对此，威尔说：“GP-B探测器项目的工程师们不得不发明一整套全新的技术来满足这种不可思议的要求。”

举几个例子，工程师们开发了一种“无拖曳”卫星技术，它可以让卫星擦过地球最外层大气却不会造成对其内部陀螺仪的扰动。他们还开发出独特的技术来防止地球磁场穿透探测器从而影响其测试精度。最后，他们还设计出一种技术来测量陀螺仪的旋转角度，但整个过程中不会触碰到陀螺仪从而对其造成影响。

即便克服了制造和设计上的技术困难，进行这项精度空前的实验本身同样是一个巨大的挑战，但经过一年的数据收集和将近5年的数据分析，GP-B项目的科学家们认为他们已经几乎接近完成这项工作。

艾福瑞特说：“我们测量到测地线效应值为+6.600或-0.017，惯性系拖曳效应值为+0.039或-0.007。”

测地线效应是指由于地球的静止质量引起的陀螺旋转轴改变，也即时空的凹陷。而惯性系拖曳效应则是由于地球自转导致的陀螺旋转轴改变，也即时空的扭曲。测量得到的这两组数据都和爱因斯坦理论的预测非常吻合。

伟大的实验

威尔说：“根据我领导的委员会对此的看法，这项工作简直具有英雄气概。我们都被惊呆了！”

引力探测卫星-B的测量结果具有革命性意义，因为它让物理学家们更有信心，爱因斯坦的理论看上去实在非常古怪，让人难以接受，但事实反复证明它确实是正确的，并且可能是一个普遍的理论。地球附近空间存在的时空漩涡在其它大质量天体附近也一样存在，如中子星，黑洞和活动星系核等，只不过那里的时空漩涡更加剧烈，规模更加大而已。

威尔说：“如果你想在一个黑洞周围高度扭曲的时空中完陀螺，它不会出现那么轻柔的偏转，它会剧烈晃动，甚至整个倒过来。”

在双黑洞系统中，两个黑洞相互绕转，而黑洞本身也在自转，它的本身就相当于一个旋转的陀螺。想象一下，一对相互绕转，存在自转，还在疯狂晃动翻转的黑洞吧！这虽然听起来实在非常诡异，但这就是爱因斯坦的广义相对论所预言的。而这一次引力探测器-B的测量结果则证明，这种情形是确实可能的！

这项伟大实验的意义还不仅仅局限在对广义相对论的检验，它还深刻影响了数百位年轻物理学家的生活。

艾福瑞特说：“由于这项实验主要以大学为主导进行，很多学生直接参与到了研究工作当中。斯坦福大学有超过86位博士生参与了研究工作，还有14 位来自其他大学的学生获准加入了科学团队。除此之外，数百名本科生和55名高中生也参与了项目的辅助工作。宇航员萨利·赖德(Sally Ride)和诺贝尔奖获得者，著名物理学家埃里克·康奈尔(Eric Cornell)也加入了这项实验工作。”

美国宇航局自1963年开始便持续拨款支持引力探测器-B的研究开发工作。这意味着艾福瑞特和他的一部分同事们已经在这个项目的设计、建造、运行和数据分析工作上花费了整整47年时间！从而使其成为美国国家航空航天局(NASA)历史上研发持续时间最长的科学项目。这确确实实是一项史诗般的工程！

未来的路

艾福瑞特想起了他的论文导师，诺贝尔奖获得者，著名实验物理学家帕特里克·布莱克特(Patrick M.S. Blackett)给他提出的建议：“如果你在物理学研究上不知道下一步该做什么，那么就试着开发一些新技术，它们会带你找到新的方向。”

艾福瑞特说：“好吧，我们在研制引力探测器-B的过程中开发了13种新技术，谁知道这些新技术会将我们引向何方呢？”不过毕竟，这条史诗般的漫漫科学之路，我们已经迈出了第一步。