坐标系拖曳效应
扭转效应
坐标系拖曳效应是指一种这种扭转效应,按照爱因斯坦的推理,他认为一个大质量天体,如地球,会让周围的时空扭曲,就像一颗保龄球放在软床垫上形成的漩涡,而且天体的重力会拖着时空一起旋转。
证实
重力探测器B终于证明爱因斯坦的理论是正确的,重力探测器B测量到了陀螺仪轻微的倾斜,检测到了广义相对论的两个效应:“短程线效应”和“坐标系拖拽效应。” 在广义相对论提出50年后,美国宇航局耗资7.60亿美元的航天器已经证实了爱因斯坦的广义相对论的正确性质。
重力探测器B已获得了一些测量数据,证明广义相对论的两个理论预言是正确的,这两个重力效应产生于大质量物体引起的时空弯曲。总部位于华盛顿特区的美国宇航局召开的新闻发布会上,斯坦福的大学的物理学家弗郎西斯-埃弗里特说:“爱因斯坦的理论终于得以存在!”
但是,另一些研究人员对此结果只是鼓掌欢迎以示礼貌。达不到精确显影的重力探测器可望再做一些关键性的测量。而且,6年前曾独家报道过这个项目,当时两位物理学家从造价比较低廉的卫星上获取数据,做了一些类似的测量。早期做过测量实验的意大利物理学家Ignazio Ciufolini说,“我不得不向取得圆满结果的重力探测器B团队表示敬意,重力探测器B是一项困难且完美的实验。”
经过几十年的发展,重力探测器B从2004年4月20日开始,围绕地球南北两极飞行了17个月,用陀螺仪对广义相对论的两个效应进行了验证。地球质量使时空产生一种微凹曲面,这就是所谓的“短程线效应”,结果呢,地球的圆周长应该比欧几里德的公式值2π*R短一些,重力探测器B在40000公里的环地轨道上测量到了地球周长2.8厘米的衰减量,精确度达到了0.25%。
重力探测器B也证实了“坐标系拖曳效应”,地球的旋转使时空产生扭曲。这好像是旋转的地球浸入到了蜂蜜里,埃弗里特解释道,“当地球旋转时,它会拖曳蜂蜜一起旋转。”他说,“同样的道理,地球也会拖曳时空一起旋转。”重力探测器B也证实了“坐标系拖曳效应”,精确度不及“短程线效应”的1/10,只达到了19%。
虽然如此,这个结果与研究人员所期望还有很大距离。为了测量这两个广义相对论效应,重力探测器B跟踪4个陀螺仪的运动,并比较其旋转轴相对于某个参考恒星的相对夹角,重力探测器B在极地环绕轨道上,“知程线效应”导致陀螺仪旋转轴轻微向南北方向倾斜,而同时“坐标系拖曳效应”使旋转轴向西东方向滞后,这些陀螺仪是工程学的奇迹,每分钟旋转5000转,乒乓球大小的石英球状骨针上面,覆盖有超导体铌,沿陀螺仪旋转轴产生磁场,堪称完美。
有了这些陀螺仪,研究人员的目的是“坐标系拖曳效应”的精度能达到1%。但是静电学的瑕疵阻挠了这项计划。从机械学的方面来看,这些石英球针是人造的最圆的物体。埃弗里特解释说,如果把石英球针吹成地球大小,其上面最大的小山也只有3米高,但是在超导体铌上捕获的粒子使陀螺仪从电力学的角度上说,与正圆还相差甚远。在地球大小的石英球针伏特数表上,有的峰谷象珠穆朗玛峰一样高,这些不完美之间的相互作用和陀螺仪外罩产生的微小拖曳作用,研究人员曾花5年时间才弄明怎样纠正这些缺点,以达到最佳精度。
另外一些科学家对此持怀疑态度。5年前,Ciufolini 曾指出,重力探测器B研究人员十多次报道过这种不确定性。纠正这么大的“系统误差”是个棘手的任务,他说,“我虽然不知道这些细节,但对我来说,消除90%的系统误差是非常困难的。”
以前的测量方法对最新结果起抑制作用。2004年,美国马里兰大学的Cifuolini 和Erricos Pavlis通过跟踪于1976年和1992年发射的“激光测量人造卫星1和2”,测量了“坐标系拖曳效应”,这两颗卫星主要用来监测地球表面的运动。通过小心翼翼地监测卫星旋转轨道面或“数据处理”,这两位物理学家的测量精度达到了10%。据一些研究人员的观点,他们大量剽窃了重力探测器B研发人员的隐藏摘要。“充其量他们只是证明了工作是Cifuolini做的”,路易斯安那大学的理论物理学家Robert O'Connell 在美国宇航局的新闻发布会上说。
最终,重力探测器B的完美价值远远超出了实验结果,埃弗里特告诉《科学》杂志,“重力探测器B为什么物有所值?”,他说,“原因在于其中的挑战因素,还有发明因素,在于始终如一的发明新技术的挑战。”
他指出,参与这项工作的100名学生获得了博士学位。而另一些人却做出了不大受人欢迎的评价。“7.60亿美元是政府的钱,”,O'Connell 说,“按我的观点,这完全是浪费,钱花的不是地方。”政府有关部门也牵涉其中。
最新修订时间:2022-01-08 14:34
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