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我终于来了,爱因斯坦的宇宙!

2004-05-10 11:40 2004年第17期
如果阿尔伯特·爱因斯坦还活在世上,他是否还会像惯常那样,平静而悠闲地等待一个迟来的关于他最著名理论的最终试验结果?

重力探测器B卫星的发射旨在验证爱因斯坦的广义相对论

如果阿尔伯特·爱因斯坦还活在世上,美国东部时间4月19日下午1时,他是否还会像惯常那样,舒服地坐在躺椅上,手里拿着烟斗,平静而悠闲地等待一个迟来的关于他最著名理论的最终试验结果?
“我知道,我将要做的事可能会浪费我两到三年的时间,而且什么都得不到。但我那时很年轻。为一个远大理想花上一两年时间然后继续前行,这很不错。”

说这话的人叫做弗朗西斯·艾维特(Francis Everitt)。他这么想的时候28岁,时间是1962年,那时候,他是一个刚刚加入斯坦福重力探测项目做博士后研究的毛头小伙子。如今,艾维特69岁,头发灰白,仍然在为这个旨在测试爱因斯坦广义相对论的项目而工作。现在的艾维特博士已经是这个项目的负责人。

虽然比原计划超出了十几倍的时间,艾维特仍然是幸运的。同先后于1971年和1989年去世的项目最初构思者莱昂纳德·希夫(Leonard Schiff)和威廉·法本克(William Fairbank)相比,艾维特毕竟等到了梦想化为现实的这一天。4月19日下午,“重力探测器B”(Gravity Probe B,简称为GPB)将在美国加利福尼亚范登堡空军基地发射升空,开始它长达18个月的太空之旅。

NASA前任首席科学家弗兰克·迈克唐纳德(Frank McDonald)说,这是“NASA在这个千年中将进行的最具挑战性的试验”。但对于更多的人来说,GPB的传奇性显然更具吸引力。

这个最初构思于45年前的项目,前后花费了7亿美元研究经费。在斯坦福大学和其他实验室,近百人因为与之相关的研究工作而获得博士学位。为了使试验得以进行,工程师们制造出了世界上最圆的球体和太空中最大的“暖水瓶”。当初为了它而寻找出的众多技术上的解决办法,早已被用在许多其他飞行器上,1983年的Iras红外天文人造卫星就使用了该项目研究人员发明的液氦冷却法。因为技术问题和各种各样的原因,这个项目曾一再被推迟、取消,然后又绝处逢生。就在去年,因为飞行器没能通过一项重要检测,NASA召集工程师和物理学家成立调查小组,专门讨论是否要继续进行这个项目。11月的时候,在飞行器原定发射日期前一个月,电路问题又让它在清洁室中再多待了4个月。正如另一位项目负责人布拉德·帕金森(Brad Parkinson)在最近一次NASA新闻发布会上所说的,GPB的发射“至少是一个坚持不懈的证明”。

是什么让工程师和物理学家们在如此曲折的历程后依然要把这样一个试验付诸现实呢?话还要从19世纪说起。

生于1838年的奥地利著名物理学家和哲学家恩斯特·马赫(Ernst Mach)曾指出,所有的运动都是相对的。他因此推测,宇宙中任何物体的惯性,都在某种程度上受到它与宇宙中其他对象相对关系的左右。

爱因斯坦深受“马赫原理”的启发,并在此基础上发展出了著名的广义相对论。根据广义相对论的描述,时空犹如一张大床垫,而物质和能量就像是睡在床垫上的大胖子,他们会导致床垫向下凹陷,而行星、坠落的苹果和光束都会沿着这个弯曲的路径而非直线运动。

不过,根据马赫原理,旋转的物质不仅可以让空间下陷,还会使其旋转。就好像用汤匙搅动杯子里的冰激凌,也会让杯子随之一同转动一样。根据奥地利物理学家约瑟夫·兰斯(Josef Lense)和汉斯·塞林(Thirring)1918年的计算,大的旋转物体会缓慢地拖曳其周围的时空,这就意味着,如果你围绕地球轨道运转,你不会感觉到力的存在,但你却会发现,相对于遥远的恒星,你实际上是在缓慢的旋转。

这种现象在物理学上被称为结构拖曳(Frame Dragging)。在地球的周围,结构拖曳非常不显著,数十年来,物理学家们想尽办法都无法证实它的存在。一年中,变化可能仅有一百万分之一度,要观测到它,无异于在1/4英里外看到一根头发。

在1959年,当时在斯坦福的莱昂纳德·希夫想到,位于太空中的陀螺仪或许可以帮助物理学家观测到结构拖曳的存在。这之后不久,希夫找到了威廉·法本克和精于陀螺仪原理的航空学教授罗伯特·加农(Robert Cannon),三个人组成了最早的研究小组。1962年,年轻的艾维特也加入其中。

1964年,NASA向这个研究小组提供了第一笔经费,来把这一设想付诸实际。斯坦福的研究小组负责制造陀螺仪,洛克希德马丁公司负责制造将其携带升空的飞行器。然而,开始时的顺利却没能继续下去。在探测器的研制过程中,NASA把人类送上了月球,又把探测器发射到了火星,“重力探测器A”于1976年被发射升空,测试了重力对时钟速率的影响。但最重要的、关系着爱因斯坦对宇宙膨胀和黑洞存在的预测是否正确的“重力探测器B”,却迟迟未能现身。

实际上,目前GPB项目的反对者最主要的一个理由便是,虽然在45年前,GPB试验的确是一个伟大的创想,但在45年后的今天,它是否还有实施的价值呢?

虽然结构拖曳现象目前依然无法被直接观测到,但天文学家们已经想出办法,通过间接方式对其进行测量。去年,一组意大利物理学家宣称,通过分析两个Lageos观测卫星发回的数据,对结构拖曳现象观测的误差率已经缩减到了20%以内。未来几年中将陆续发射的卫星还可以将误差进一步减少到1%以内,而这已经是GPB所力求达到的精确度了。同时,去年9月,天文学家通过测量卡西尼号探测器发回的无线电信号,也声称找到了另一种测量结构拖曳的办法,其精确度与爱因斯坦的预测值相差不超过1/40000。明尼苏达州立大学的一位相对论专家指出,在漫长的45年之后,GPB的时代已经过去了。

艾维特并不这么认为。在NASA举行的新闻发布会上,艾维特说:“如果它(GPB)如我们所料想的那样正常运转的话,它对爱因斯坦理论的验证会超出此前任何试验的10倍到100倍。”在接受《纽约时报》采访时,他还谐谑道,中世纪大教堂的建筑师们曾经花了更长的时间去建造他们的伟大建筑物。

1930年,萧伯纳曾经说过,“托勒密创造了一个宇宙,它持续了2000年。牛顿创造了一个宇宙,它持续了200年。现在爱因斯坦博士创造了一个新的宇宙,没人知道这个宇宙将持续多久。”没有人知道,4月19日开始的试验究竟会给出一个什么样的答案。正如杨振宁曾经指出过的,爱因斯坦的广义相对论固然美丽,但并非没有可修正之处。近几十年来,也一直有研究结果对其提出挑战。不过,就像加州理工学院的物理学家奇普·索恩说过的,即使GPB证明广义相对论是错误的,但它也会是一种令人吃惊的证明方式,而试验本身便足以为后来的研究留下宝贵的财富。

GPB是怎么工作的?

“重力探测器B”的最外层,是一个巨大的“真空保温杯”。这个9英尺高的“真空保温杯”是GPB项目最大的技术挑战之一,它必须保证安放在其内部的科学仪器一直处于摄氏零下271.4的恒定低温中(仅比绝对零度高不到2度),并能够在太空中维持18到24个月。为了实现这一点,“真空保温杯”中装有645加仑的超流体液氦。在其外层,包有超导铅袋,从而使里面的科学仪器不受磁场的影响。

在探测器的中心,是几乎完全与外界隔离的陀螺仪:4个直径1.5英寸——比高尔夫球稍大一些——的石英球。它们可能是有史以来由人类制造的最完美的球体(中子星是宇宙中自然形成的最完美的球体),误差率不超过40层原子的厚度。如果地球也是如此完美的球体的话,地面上最高的山峰将不会超过海拔8英尺。在太空中,这些石英球将因为电场的作用力而悬浮起来,并以每分钟10000转的速度在一个对准了天马座IM恒星的石英望远镜中旋转。

这些石英球表面镀有一层铌,在望远镜工作的温度下,金属铌处于超导状态。这样,当石英球旋转时,一些金属铌的电子会从原子中逸出。这种相对运动会产生微小的电流,并进而生成磁场。使用陀螺仪中的超导量子干涉设备——缩写为Squids(鱿鱼)——就能够观测到这种变化。

Squids肩负着双重使命。一是测量结构拖曳,它会使陀螺仪转向地球旋转的方向;二是测量伽玛参数,也就是物质是如何使几何空间偏离“平面的”欧几里得几何空间的。

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