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引力探测器B：小陀螺，大实验
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Liz Kruesi 文 Shea 编译 |
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借由引力探测器B实验，科学家们研发出了尖端技术来检验爱因斯坦的广义相对论。 2011年5月4日，科学家们公布了引力探测器B（GP-B）所获得的结果，证实了爱因斯坦的广义相对论所预言的两个效应。这同时也宣告了美国宇航局（NASA）历史上耗时最长的任务之一的正式结束。从最初的想法到让人筋疲力尽的数据分析，GP-B跨越了差不多半个世纪。这个项目本身就需要研发尖端技术，而科学家们也不得不想尽办法来对付突然出现在数据中的意料之外的信号。 GP-B的原理极为简单——把一个快速自转球体的自转轴指向一颗遥远的恒星，然后测量随着时间该自转轴的指向是否会如广义相对论预言的那样发生变化。但实践起来却极其的困难。 时空和引力 广义相对论是目前描述引力的最佳理论。在1916年前，科学家认为物质是被动地穿行于时间和空间背景中的。而后，爱因斯坦提出，时间和空间并不是分立的，而是一个整体（时空）；物质会改变时空，而时空也会改变物质的运动。 就像把一个保龄球放在一张蹦床上会产生凹陷一样，一个大质量的物体——例如，地球——也会改变时空。由地球所产生的时空曲率会影响地球人造卫星的运动。广义相对论对此给出了定量的结果，使用极其灵敏的仪器科学家们可以来检验它。 爱因斯坦的理论预言，如果在地球周围弯曲时空中有一根大头针，当它绕地球一周回到起点时，其针尖的指向会有微小的变化。这被称为测地效应。此外，就像在一个充满了蜂蜜的池子中运动，由于地球还在自转，它会稍稍地拖着其周围的时空和它一起转动。物理学家把它称为参考架曳引效应。 这两个效应都非常微小——在天空中只有几个角秒或者更小得多。因此在我们的太阳系中，相对论只不过是低声呢喃。  愿景 背景噪音可以轻易地掩盖掉任何测地效应或者参考架曳引效应的信号，这使得检测它们十分的困难。科学家们需要一个精确的方法来甄别出它们。1959年末和1960年初，在相隔数月的时间里，两个物理学家——美国麻省理工学院的乔治·皮尤（George Pugh）和美国斯坦福大学的伦纳德·希夫（Leonard Schiff）——各自独立地提出使用放置在地球轨道上的陀螺可以来检验广义相对论。把陀螺送入太空可以摆脱地球大气的干扰，同时它也意味着该实验可以免受地球表面重力的影响。 在同低温材料方面的物理学家威廉·费尔班克（William Fairbank）和罗伯特·坎农（Robert Cannon）讨论了最新的陀螺技术之后，希夫在1960年底发表了一篇关于这个想法的更全面的论文。1962年，弗朗西斯·埃弗里特（Francis Everitt）来到了斯坦福大学并加入了这个团队。（他最终成为了该实验的首席科学家并参与这个项目近50年。）同一年，他们向NASA提出经费申请，于1964年3月获得了批准。 由于管理上的挑战以及仪器的制造，GP-B耗时数十载，其所需的技术在希夫及其同事提出该任务时都尚未问世。在它最终于2004年发射升空时，GP-B的科学家开发出了超过十几种的新技术，这其中包括超高精度的陀螺与监测它们运动的方法以及对全球定位系统的升级。GP-B所采用的一些低温技术也被应用到了NASA其他的任务身上，例如红外天文卫星和宇宙背景探测器。
命途多舛 1977年6月，在许多所需的技术已实现之后，GP-B的状态从“探索性研究”转变成了“技术研发”。就在一切看上去都在稳步推进的同时，1982年的一项深入研究得出结论，该探测器会过于庞大，耗资也过于巨大。因此，GP-B团队不得不从1983年开始对这个项目进行完全地改造。 1994年——也就是GP-B团队获得第一笔资金30年后，GP-B和NASA签署了协议，真正把它列入了NASA官方的空间任务。他们把发射的时间定在了2000年10月。不幸的是，意料之外的技术问题却一个个地接踵而至。 最突出的是，1998年在测试装有2,440升液氦的杜瓦瓶和放置整个科学仪器的探测器时，科学家们发现热连接存在问题。在探测器内部有4扇窗，设计来反射和吸收红外辐射同时又可以让可见光通过进入后面的望远镜。在把陀螺安放入探测器之后，GP-B团队测量发现每一扇窗的温度都过高。他们有两种选择：把整个探测器拆开并推迟发射2年或者是在上面钻孔。 GP-B团队选择了第二种方案，而这花了他们7个月时间。这其中的关键点是既不能破坏真空造成泄漏，同时还要防止钻孔时所产生的碎屑掉到陀螺上。这是GP-B项目需要创新思维的另一个案例。  开始实验 在40年的技术研发和测试之后，2004年4月20日GP-B由波音公司的德尔塔Ⅱ型火箭发射升空，进入了一条从地球两极上空642千米处环绕地球的圆轨道，轨道周期为97.5分钟。在任务的数据采集阶段（持续50周），GP-B绕地球转了超过5,000周。 当GP-B进入了它的越极轨道之后，科学家们就立刻把它上面所带的望远镜锁定住了引导星飞马IM，然后开始了比预期得更漫长的过程来把陀螺加速到所需的转速。这花了超过一个月的时间，最终每个陀螺每分钟可以转4,000圈左右。在总共4个陀螺中，有2个沿顺时针方向转动，另外2个则沿逆时针转动。随后科学家们开始把陀螺的自转轴调到和望远镜一致。整个校准和调整花了129天，是预期的2倍。 为了在数据中甄别出微弱的广义相对论效应，科学家们不得不把会掩盖它们的噪音控制在最小的程度。因此，GP-B的机械设计必须要满足7个“近零”条件。这就是说科学家必须很好地控制7个实验条件，避免让它们影响数据。其中有3个条件和陀螺有关，另外4个则关乎探测器内部的实验环境。  接近完美 为了在地球表面附近测量由广义相对论效应所产生的变化，每一个陀螺都必须是一个完全光滑的球形，精度要达到十亿亿分之一。其表面的任何一丁点突起都会使得作用在球面上不同地方的引力会有些许的不同。这一差异会影响陀螺的运动，进而广义相对论的效应就会完全湮没在其中。 把陀螺送入太空而非放置在地球上的实验室里可以把这一干扰减小到一千亿分之一——因此为了达到十亿亿分之一，每个陀螺在制造时其表明的光滑程度必须要达到一百万分之一。为了做到这一要求，科学家们制造出了迄今最圆的人造物体；根据吉尼斯世界纪录，GP-B的陀螺是最圆的人造体。如果这个直径38毫米的熔融石英球被放大到地球的大小，那么其表面最高的山或者是最深的海底距离海平面只有2.4米。 每一个陀螺都被超导材料铌所包裹，这样它们就会在电的作用下漂浮起来。通过一个小孔流入的液氦就会使得陀螺转起来。由于周围的铌，陀螺于是成为了转动超导体，它会产生和自转轴永远重合的磁矩。因此，只要测量4个陀螺的磁矩，科学家们就能跟踪它们自转轴的指向。 GP-B是一个“无拖曳”航天器，这意味着它总会以自由下落的方式绕地球转动。实验装置内的4陀螺会无重力地悬浮，由此它们只会感受到广义相对论效应。其想法就是要避免来自大气或者太阳辐射压的阻力干扰陀螺。那么工程师是如何做到这一点的呢？传感器会监视陀螺和它所在的舱体，如果陀螺有朝任何一个传感器运动，那么GP-B上的小推进器就会点火，调整整个探测器的位置来把陀螺重新置于容纳其舱体的中心。其本质是探测器在轨道上跟着陀螺飞行。 GP-B同时也是第一个拥有6个运动自由度的航天器：除了上下、左右和前后运动之外，它还可以上下俯仰、左右偏转和转动。为了均衡陀螺上的额外热效应，每77.5秒GP-B会沿着其自身的长轴转动一周。  首批结果 科学数据的采集从2004年8月27日正式开始，耗时50个星期。由于没有人确切知道液氦能维持多长时间，GP-B团队在2005年8月14日终止了数据采集，并进入了科学后校准阶段。46天之后液氦耗尽，科学家们开始了繁重而漫长的数据分析。电子设备会记录下对陀螺进行测量的时间，精度可达0.1个毫秒。因此科学家们可以不断地跟踪陀螺的运动。甚至在处理所得到的数据之前，他们其实就看到了测地效应的证据。 GP-B团队在2007年1月该项目结束后不久就公布了有关测地效应的测量结果。广义相对论预言，测地效应每年会使得陀螺的自转轴偏移6,606个毫角秒；GP-B上陀螺的平均自转轴相对于引导星偏移了6,602个毫角秒，误差大约是0.5%。 甄别出参考架曳引效应则花了更长的时间——差不多5年的数据分析。广义相对论预言其偏移量为每年39.2个毫角秒，这就使得剔除噪音的干扰变得甚至更为重要。 虽然GP-B团队希望能把对参考架曳引效应的测量精度提升到1%并由此成为对该效应的最精确测量，但他们最终不得不接受精度只有约19%的这一现实。他们测量到的偏移为37.2个毫角秒，误差±7.2个毫角秒。其他实验则报告称观测到的参考架曳引效应误差小于10%。 不幸的是，虽然GP-B的陀螺在机械上确实是球形的，但是在带电的情况下却远非如此——这一效应比预期的要大得多。埃弗里特说：“在发射之前我们曾想过这个问题，但我们没有想对。”  从简单到复杂 实际上，在陀螺和容纳它的舱体上存在有带电量不同的区域。这些区域间的相互作用会通过3个不同但却相连的效应来改变陀螺的运动。 一开始所有的陀螺都在正常运转，然后其中一个会改变它的指向一到两天，然后又回到最初的状态。随后另一个陀螺也会出现相似的运动。一些陀螺相比其他的会更多地出现这样的“跳跃”。 这些“跳跃”的关键点和固体的的转动有关。每一个物体在其中心都具有3个彼此垂直的轴，由此它可以绕着其中的任何一个转动。虽然对于木块而言这一转动会较为明显，但对于GP-B上的每一个陀螺也是如此，因为毕竟它们并不是完美的圆形。 GP-B团队分析这些数据花了很多年的时间，2011年5月他们公布了最终的结果。这些位置变化并不是随机的，相反它们会出现在发生特定共振的时候——GP-B自转周期77.5秒的整数倍。GP-B自身整体的运动偶尔会导致陀螺指向新的方向。 虽然一些人可能会对参考架曳引效应的测量结果感到失望。但GP-B任务的重要性在于它用完全不同于以往的方法验证了爱因斯坦的广义相对论。埃弗里特说：“你可以用钟来检验广义相对论；你也可以用光子来检验广义相对论；或者你还可以用机械物体，例如陀螺，来检验广义相对论。”如果综合不同方法的测量结果发现它们都支持广义相对论，那么它们就是佐证这一理论的强有力证据。 GP-B团队运作了一个巨大的项目——在这个实验开始的时候，有关的高精度测量技术甚至都并不存在。但是在50年之后，GP-B和它的数据却让我们更好地认识了时空的特性。 |
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[Astronomy 2012年3月]
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2001-2016 火流星工作组制作
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