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地球周围发现时空漩涡:爱因斯坦预言得到证实
    时间:2011-5-11     点击率:25996

    

地球周围发现时空漩涡:爱因斯坦预言得到证实
 

    
这是一张示意图,显示引力探测卫星B-2号正在太空测量地球周围存在的时空扭曲效应


   
这是引力探测卫星B-2号陀螺仪使用的其中一个超完美球体


    
这是一张示意图,展示一个黑洞周围存在高度扭曲的时空


     新浪科技讯 北京时间5月6日消息,据美国宇航局网站报道,爱因斯坦的预言再一次得到了证实!科学家们经过仔细的检测,发现地球周围确实存在时空漩涡,并且其各项参数和爱因斯坦广义相对论预言的完全符合。
     这是此间在美国宇航局总部举行的一场新闻发布会上公布的消息,探测的结果来自对该局实施的“引力探测卫星B(GP-B)计划”的数据分析结果。
     引力探测卫星B项目首席科学家,斯坦福大学物理学家弗朗西斯•艾福瑞特(Francis Everitt)表示:“正如广义相对论预言的那样,地球附近确实存在时空扭曲。”
     而美国华盛顿大学圣路易斯分校的克利福德•威尔(Clifford Will)表示:“这是一个历史性的时刻。”威尔是爱因斯坦理论研究方面的专家,他目前正担任美国国家研究理事会一个独立下设委员会的主席职务。这一委员会于1998年由美国宇航局创立,其主要目的便是对引力探测卫星B的数据进行检查和评估。他说:“有一天,今天的这个实验将被作为经典案例写进物理学教科书。”
     根据爱因斯坦的相对论,空间和时间是交织在一起的,形成一种被他称为“时空”的四维结构。地球的质量会在这种结构上产生“凹陷”,这很像是一个成年人站在蹦床上陷进去的情形。爱因斯坦指出,引力的本质仅仅只是物体围绕这种时空凹陷的曲线边缘运动的外在表现。
     如果地球是静止的,那这种扰动将不复存在。但是地球并非静止不动,我们的地球在不停旋转,这种旋转会产生扰动,尽管非常轻微,但仍然会产生一种四维漩涡。而这就是2004年发射进入太空的引力探测卫星-B所要探测的目标。
     实验的原理
     这一实验项目背后的科学原理非常简单:科学家们将一个陀螺仪送上地球轨道,使它的一个旋转轴指向一颗遥远的恒星作为参考点。在没有任何外力作用的情况下,这一旋转轴应当永远指向这一颗恒星。但如果空间是扭曲的,那么陀螺仪的指向会随着时间推移发生改变。通过对这种改变的精密检测,科学家们能了解时空弯曲的相关信息。
     这说起来似乎很简单,但真正做起来却非常艰难。
     首先,制造引力探测器B中4个高精度陀螺仪需要用到精度极高的球体。事实上,这些陀螺仪内部的转子是人类迄今制造过的最完美球体。它们的大小约相当于一个乒乓球,由熔凝石英和硅材料制成,其相对于完美球体的误差在任何方向都不超过40个原子的厚度。这样高的精度是必须的,因为如果不是这样做,那么这些陀螺仪转轴的晃动将出现误差。
     根据爱因斯坦理论进行的估算显示,地球周围空间的时空扭曲将导致陀螺仪旋转轴出现每年0.041弧秒的改变。1弧秒等于1/3600度。为了测出这样微小的改变量,GP-B探测器必须具备0.0005弧秒的精度。这就相当于让你测量放在100英里(约合161公里)之外的一张纸的厚度。对此,威尔说:“GP-B探测器项目的工程师们不得不发明一整套全新的技术来满足这种不可思议的要求。”
     举几个例子,工程师们开发了一种“无拖曳”卫星技术,它可以让卫星擦过地球最外层大气却不会造成对其内部陀螺仪的扰动。他们还开发出独特的技术来防止地球磁场穿透探测器从而影响其测试精度。最后,他们还设计出一种技术来测量陀螺仪的旋转角度,但整个过程中不会触碰到陀螺仪从而对其造成影响。
     即便克服了制造和设计上的技术困难,进行这项精度空前的实验本身同样是一个巨大的挑战,但经过一年的数据收集和将近5年的数据分析,GP-B项目的科学家们认为他们已经几乎接近完成这项工作。
     艾福瑞特说:“我们测量到测地线效应值为+6.600或-0.017,惯性系拖曳效应值为+0.039或-0.007。”这里,测地线效应是指由于地球的静止质量引起的陀螺旋转轴改变,也即时空的凹陷。而惯性系拖曳效应则是由于地球自转导致的陀螺旋转轴改变,也即时空的扭曲。测量得到的这两组数据都和爱因斯坦理论的预测非常吻合。

                                                                               (原载:2011-5-6新浪科技,本刊有删改)