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爱因斯坦广义相对论两大猜想获实验证实

发布时间:2011年05月06日 14:04 | 进入复兴论坛 | 来源:美国斯坦福大学网站

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  广义相对论两大猜想获实验证实

  美国斯坦福大学网站5月5日(北京时间)发布消息称,美国国家航空航天局(NASA)和该校研究人员已经证实了爱因斯坦广义相对论中两项重要预测,从而为这项史上延续时间最长的空间项目画上了句号。相关论文在线发表在《物理评论快报》杂志网站上。

  研究人员是通过对“引力探测器B(GP-B)”卫星数据的分析得出上述结论的。引力探测器B使用了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。

  验证的第一个理论是测地线效应,也称短程线效应。该理论认为时间和空间会因为地球等大质量物体的存在而弯曲。通俗的来说,如果把时空结构想象为一张平坦的床单,把地球等大质量的物体看作是一个保龄球的话,当“保龄球”被放在“床单”上时,床单就会发生凹陷。

  验证的第二个理论是惯性系拖曳效应,该理论认为,大质量物体的旋转会拖动周围时空结构发生扭曲。这时可以把地球等大质量物体想象为一个橡皮球,把物体周围的时空结构看作是一碗黏稠的蜂蜜,当“橡皮球”在“大碗”中转动时,就会带动碗中的“蜂蜜”跟着“橡皮球”一起运动。

  斯坦福大学科学家早在1959年就产生了通过制造引力探测器B验证这两大设想的想法,很多所需的技术当时还没有被发明出来。NASA从1963年开始为该项目筹措资金,并开始对回转仪进行实验。41年后,耗资高达7亿美元的引力探测器B终于被送到了距离地球约640公里的极地轨道上。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。而如果事情并非如爱因斯坦所预测的那样,4个回转仪在轨道上将会永远指向同一个位置。斯坦福大学是该项目的主要承包人,负责科学仪器的设计、总装,任务操作以及数据分析工作。

  半个多世纪以来,引力探测器B项目遭遇过不少挫折,还因技术、经费等问题多次面临下马的困境。尽管如此,几十年来由该项目所导致的突破性技术进展在航天器环境扰乱(如气动阻力、磁场和温度变化)控制以及航天器定位上都获得了广泛应用。该任务中所使用的星体跟踪器和回转仪达到了有史以来最高的精度;由该项目所激发的载波相位与差分GPS定位技术将GPS的精度提高到了米级,可以让飞机在无需塔台的情况下自行着陆;此外,引力探测器B的附加技术还在NASA的宇宙微波背景辐射探测任务中得到了应用,为“大爆炸理论”提供了支撑,美NASA的约翰 马瑟还因此获得了2006年的诺贝尔物理学奖,而围绕“引力探测器B”已产生了上百篇博士论文。

  总编辑圈点

  广义相对论在有生以来的每个星期几乎都要遭受挑战,但迄今为止,天文学观测数据与其预测值的相符程度,远高于其他竞争理论,“挑战”也多化成了“验证”。当猛砸钱的“引力探测器B”把技术升级到了当前所能达到的极致时,人们看到该理论仍是解释大尺度结构时的不二选择,不愧为撑起现代物理学这所大房子的支柱。只不过,它现在与另一根支柱量子理论互相别扭着,或是因为,它们其实都不是物理学的终结答案。

  (记者王小龙)