海外文摘——一往无前的力




一往无前的力
Tony Reichhardt　文　　Shea　译
	在经历了40年的研发，耗资6.5亿美元之后，NASA的“引力探测器B”（GP-B）已经准备好发射了。爱因斯坦的理论将会得到验证吗？　　乍看之下，GP-B像是一个传奇故事。大胆的科学家和工程师花费了40年的时间，与技术和政治上的困难作斗争，最终完成了这一计划。这个项目是NASA历史上研发时间最长的一个。一些观察家认为这是对金钱的巨大浪费，而且NASA也曾经至少3次取消了这个计划。但是美国国会总有办法让它起死回生。尽管这个月又再次推迟了GP-B的发射时间，不过可以确定的是GP-B将于2004年上半年被发射。　　即使是最苛刻的评论家也不得不承认GP-B设计上的精湛和胆大。GP-B将使用有史以来最灵敏的陀螺仪，当以640千米高的轨道通过地球两极的时候，它将会验证爱因斯坦广义相对论的两大预言：一个大质量天体（例如地球）会使得其周围的时空弯曲，并且它会拖曳着时空与之一起旋转。目前这两个预言还没有从实验上被证明，至少在GP-B测量的精度上还没有。无论这两个预言被证是还是被证否都将会对物理学产生深远的影响。极端的要求　　GP-B的历史可以追溯到1960年，当时斯坦福大学的物理学家伦纳德·希福（Leonard Schiff）及其同事提出可以使用陀螺仪来检验“坐标系曳引（frame-dragging）”效应。他们设想，让轨道上的望远镜和4个陀螺仪同时对准一颗恒星。如果像爱因斯坦的理论所预言的那样，坐标系曳引效应作用于陀螺仪上，那么在一年的时间里它们自转轴的指向会发生稍稍的偏离，这使得物理学家可以以1%的精度来测量它们的变化。　　到1964年，NASA提供了少量的项目经费。计划使用石英球，通过电场将其悬挂在陀螺仪的中心，使之可以在真空中自由的旋转。这一设计要求一个用于盛放超流氦的极低温容器，以及对探测器姿态极端细致的调整装置——对于GP-B而言，一切都必须是“极端的”。之后20年的技术进步已经使得NASA可以进行一次测试飞行了，如果不计算航天飞机的开销，整个项目的开销为1.3亿美元。　　但是到了80年代后期，由于“挑战者号”的失事，NASA的预算严格依赖于美国科学院的“十年展望”评估。此时，一个昂贵的引力物理学实验显然是不切实际的。即使到了今天，GP-B是否能在与其他空间计划的竞争中胜出仍然是个未知数，芝加哥大学的天体物理学家尤金·帕克（Eugene Parker）如是说，1991年他负责对这个项目进行评估。 [图片说明]：GP-B遭遇了三次被取消，分别在1989年、1993年和1995年。　　1989年NASA取消了GP-B，1993年第二次取消，1995年第三次取消。尽管没有人指望斯坦福大学物理学家、从1981年起就担任GP-B项目主管的弗朗西斯·埃福瑞特（Francis Everitt）的政治能力，但是一个国会议员说，正是由于埃福瑞特不停的游说，从州议员到联邦议员，才使得每次NASA取消GP-B计划时，他总能让它起死回生。　　与此同时，整个项目的耗资也在节节攀升，部分原因是技术上的困难，另外斯坦福大学的项目管理者也抱怨NASA没有提供足够的资金来用于解决技术上的难题。由于多种多样的原因，发射时间一再地向后推迟，到2003年末为止这个项目的总耗资已经到了6.5亿美元。　　另外，这个项目的科学意义也在打折扣。1997年天文学家使用“罗希X射线时变探测器”（Rossi X-Ray Timing Explorer）发现了黑洞周围坐标系曳引的间接证据，一年之后基于LAGEOS测地卫星的观测数据，又粗略地测量到了地球的坐标系曳引效应，这一结果的精度达到了20%。但是未来LAGEOS的精度将达到5%，直逼GP-B的精度。不得不承认近几年来GP-B的科学价值正在受到侵蚀。　　2002年末，在探测器地面测试失败之后（这一失败是由于保险丝的一个小问题所造成的），NASA的空间科学主管埃德·维勒（Ed Weiler）要求对该项目的科学价值和技术上的可实现性进行再一次的评估。在2003年3月份的一次会上，维勒抱怨说：“我真不知道它是否以及何时会发射。”并且他威胁如果通过不评估，他将取消这个计划。但是GP-B再一次通过了评估。 [图片说明]：政治力量，弗朗西斯·埃福瑞特。　　几年来，所有的评估报告都沿袭了这样模式：必须承认这个项目是饱受争议的，而且在技术上是有挑战性的，但是结论是这个计划应该继续。普林斯顿大学的物理学家、诺贝尔奖得主凡尔·芬奇（Val Fitch）负责了1995年对该计划的评估工作，他说，在这个项目上已经投入了大量的资金，而且现在最大的技术障碍也已经被克服，如果这个计划被终止，那将是错误的。但是他也说，这一观点并没有得到全部认同，一些评估委员会的成员认为GP-B的结果可能会偏离爱因斯坦的预言，然而反对者则认为，如果你已经对预言的结果充满信心，那又何必实施这一计划呢？关注成本　　这一切都已经成为了过去，即使是几年前取消GP-B的维勒也说：“我希望一次成功的发射和一个成功的计划。”他现在关注的是防止其他项目重蹈GP-B的覆辙，陷入预算的泥潭，最好是在无法收拾之前全身而退。他说：“我宁愿一个项目在花了100万美元之后被取消，而不是花了4亿美元之后。” [图片说明]GP-B将于2004年上半年使用“德尔塔Ⅱ”型火箭发射。　　这一新的问题也出现在了计划2004年5月份发射探测水星的“信使”项目上。“信使”项目是NASA行星“发现”计划的一部分，由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室负责。当它的耗资从120万美元上升到3亿美元的时候，维勒曾经打算彻底取消这个项目。　　但是之后他询问评估委员会，如果“信使”具有足够的科学价值的话，是否可以追加一部分的资金。委员会对他的询问并不感到吃惊。维勒说，一个肯定的回答将会削减“发现”计划中其他项目的资金。最终“信使”还是得以保全了。　　维勒说，NASA也吸取了教训，技术上的疏忽会诱发潜在的问题。“发现”计划将要追加20%-25%的预算，而其他大型项目，例如哈勃空间望远镜的后继者詹姆斯·韦伯望远镜，则将会在发射之前花费更多的钱用于技术研发和评估。　　意识到预算的流失是一回事，控制它又是另一回事——特别是NASA现在项目的技术要求越来越高。悲观的观察家发现灾难正在降临，NASA的火星探测计划过分扩张，使得一些小项目举步为艰，其中一些将不可避免地面临被取消的命运。　　欧洲空间局（ESA）也面临着类似的问题。由于“无法追加预算以及其他的原因”，ESA取消了用于搜寻太阳系外行星的“爱丁顿”计划。　　GP-B不在被NASA取消的项目名单上，维勒可以欣慰的是，有关的斗争已近结束，GP-B不会再吞食NASA更多的资金了。技术上的进步也许将最终带来回报，GP-B可能会发现一些真正有价值的东西。　　埃根·帕克说：“我希望这个计划能成功。”他深知外界对这个计划的评论，但是他还是认为有必要验证广义相对论。宇宙学已经延伸到了各个方向，从暗能量到弦理论，所有这些方向都或多或少地依赖于爱因斯坦的方程。在埋头探索未知的领域之前，帕克说：“我们绝对有必要搞清楚手头上的这些理论的正确性。” 　　爱因斯坦没能等到NASA来检验他的理论的这一天。早在1919年，天文学家就在日全食中观测到了星光的偏折，验证了广义相对论的一个重要的预言。爱因斯坦的理论看起来没有什么问题，但是就在1919年日全食的当晚年轻的物理学家马克斯·普朗克彻夜未眠，想知道相对论是否得到了验证，他说：“如果他真的懂得这个理论的话，他就会像往常一样上床睡觉了。”
出自：Nature 发布日期：2003-11-27

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