美国成功发射引力探测器B 验证爱因斯坦相对论

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经过45年酝酿和开发，耗资7.5亿美元的美国“引力探测器B”卫星，20日下午从加利福尼亚州范登堡空军基地成功升空，它的使命是以前所未有的精度对爱因斯坦1916年提出的广义相对论进行验证。
    广义相对论认为，引力是因质量的存在而引起的时空弯曲，引力场的存在会改变时空几何学规则，时间和空间是不可分割的四维整体。与牛顿经典力学理论相比，广义相对论代表着人类时空观的革命。
    “引力探测器B”将对广义相对论的两项重要预测进行验证。具体说，就是时间和空间不仅会因地球等大质量物体的存在而弯曲，大质量物体的旋转还会拖动周围时空结构发生扭曲。这两项预测分别被称为“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”。
    按照参与该项目的科学家们的通俗比喻，如果把时空结构想象为一张平坦的床单，把地球等大质量物体看成是一个保龄球，那么床单会因保龄球的放入而凹陷下去，所谓“短程线效应”可以如此简单理解。而所谓“惯性系拖曳效应”，则有点像把一个橡皮球放入盛满糖浆的大碗，橡皮球或者说大质量物体的转动，会带动糖浆或者说时空结构跟着一起运动。
    “引力探测器B”卫星主要采用4个超高精度的回转仪，来测量地球自身质量以及自转给回转仪所处时空造成的弯曲和扭曲效应。卫星将主要在距离地球约640公里的极地轨道上运转，其探测预计将持续一年半左右。在探测开始时，4个回转仪自转轴和卫星上的一台望远镜的方向同时对准一颗遥远恒星。按照理论假设，随着时间推移，回转仪自转轴会因地球的“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”而分别发生偏移。通过测量偏移情况，就可以“看到”地球对其周围时空到底产生了什么样的影响。
    这种影响将是非常细微的。科学家们说，由“惯性系拖曳效应”导致的回转仪自转轴偏转，其角度之小，就好比是从400米之外去看人的一根头发丝。为了测出这种微小的效应，“引力探测器B”卫星采用了很多最尖端的技术。以4个乒乓球大小的回转仪为例，它们由石英制成，经过了精心打造，号称目前人类制造出的最完美、最圆的球体。这些回转仪表面光滑无比，CD光盘与之相比表面粗糙得就像一张砂纸。为了提供一个近乎理想的时空参照系，这些回转仪必须不受任何外力影响，它们以电悬浮方式保持在真空状态下旋转，每分钟转速可达1万次。安置回转仪的容器被置于接近绝对零度的环境下，外面还有4层铅保护层。
    科学家们称，“引力探测器B”将首次对“惯性系拖曳效应”进行直接验证，其对“短程线效应”的测量结果误差有望不超过万分之一，精度大大超过以前的实验结果。美国宇航局的一份新闻公报认为，该卫星的探测结果将会帮助科学家加深对宇宙基本结构的理解，更清楚地看到物理世界与引力理论之间的联系。
    美国斯坦福大学的3名科学家1959年最早在一个游泳池边萌发了有关“引力探测器B”的想法。1958年成立的美国宇航局于1964年正式开始对这一计划进行资助。40多年来，“引力探测器B”命运多舛，因技术、经费等问题多次面临下马的境地，其间用于探测引力对时间的弯曲效应的“引力探测器A”计划早在1976年就得到实施。几十年中，围绕“引力探测器B”共产生了约100篇博士论文。这一美国宇航局历史上耗时最长的探测计划最终付诸实施，使几代科学家梦想成真。“引力探测器B”现任首席科学家、斯坦福大学教授埃弗里特首次接触该计划时仅28岁，如今已是年过花甲。