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愛因斯坦的預言得到證實：NASA發(fā)現(xiàn)地球周圍存在時空漩渦�。� 已有2人參與
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北京時間5月6日消息，據(jù)美國宇航局網(wǎng)站報道： 愛因斯坦的預言再一次得到了證實！科學家們經(jīng)過仔細的檢測，發(fā)現(xiàn)地球周圍確實存在時空漩渦，并且其各項參數(shù)和愛因斯坦廣義相對論預言的完全符合。 這是此間在美國宇航局總部舉行的一場新聞發(fā)布會上公布的消息，探測的結(jié)果來自對該局實施的引力探測衛(wèi)星B(GP-B)計劃的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。 引力探測衛(wèi)星B項目首席科學家，斯坦福大學物理學家弗朗西斯·艾福瑞特(Francis Everitt)表示：“正如廣義相對論預言的那樣，地球附近確實存在時空扭曲。” 而美國華盛頓大學圣路易斯分校的克利福德·威爾(Clifford Will)表示：“這是一個歷史性的時刻�！蓖柺菒垡蛩固估碚撗芯糠矫娴膶＜遥壳罢龘蚊绹鴩已芯坷硎聲粋�獨立下設委員會的主席職務。這一委員會于1998年由美國宇航局創(chuàng)立，其主要目的便是對引力探測衛(wèi)星B的數(shù)據(jù)進行檢查和評估。他說：“有一天，今天的這個實驗將被作為經(jīng)典案例寫進物理學教科書�！� 根據(jù)愛因斯坦的相對論，空間和時間是交織在一起的，形成一種被他稱為“時空”的四維結(jié)構(gòu)。地球的質(zhì)量會在這種結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生“凹陷”，這很像是一個成年人站在蹦床上陷進去的情形。愛因斯坦指出，引力的本質(zhì)僅僅只是物體圍繞這種時空凹陷的曲線邊緣運動的外在表現(xiàn)。 如果地球是靜止的，那這種擾動將不復存在。但是地球并非靜止不動，我們的地球在不停旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生擾動，盡管非常輕微，但仍然會產(chǎn)生一種四維漩渦。而這就是2004年發(fā)射進入太空的引力探測衛(wèi)星-B所要探測的目標。 實驗的原理 這一實驗項目背后的科學原理非常簡單：科學家們將一個陀螺儀送上地球軌道，使它的一個旋轉(zhuǎn)軸指向一顆遙遠的恒星作為參考點。在沒有任何外力作用的情況下，這一旋轉(zhuǎn)軸應當永遠指向這一顆恒星。但如果空間是扭曲的，那么陀螺儀的指向會隨著時間推移發(fā)生改變。通過對這種改變的精密檢測，科學家們能了解時空彎曲的相關(guān)信息。 這說起來似乎很簡單，但真正做起來卻非常艱難。 首先，制造引力探測器B中4個高精度陀螺儀需要用到精度極高的球體。事實上，這些陀螺儀內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是人類迄今制造過的最完美球體。它們的大小約相當于一個乒乓球，由熔凝石英和硅材料制成，其相對完美球體的誤差在任何方向都不超過40個原子的厚度。這樣高的精度是必須的，因為如果不是這樣做，那么這些陀螺儀轉(zhuǎn)軸的晃動將出現(xiàn)誤差。 根據(jù)愛因斯坦理論進行的估算顯示，地球周圍空間的時空扭曲將導致陀螺儀旋轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)每年0.041弧秒的改變。1弧秒等于1/3600度。為了測出這樣微小的改變量，GP-B探測器必須具備0.0005弧秒的精度。這就相當于讓你測量放在100英里(約合161公里)之外的一張紙的厚度。 對此，威爾說：“GP-B探測器項目的工程師們不得不發(fā)明一整套全新的技術(shù)來滿足這種不可思議的要求�！� 舉幾個例子，工程師們開發(fā)了一種“無拖曳”衛(wèi)星技術(shù)，它可以讓衛(wèi)星擦過地球最外層大氣卻不會造成對其內(nèi)部陀螺儀的擾動。他們還開發(fā)出獨特的技術(shù)來防止地球磁場穿透探測器從而影響其測試精度。最后，他們還設計出一種技術(shù)來測量陀螺儀的旋轉(zhuǎn)角度，但整個過程中不會觸碰到陀螺儀從而對其造成影響。 即便克服了制造和設計上的技術(shù)困難，進行這項精度空前的實驗本身同樣是一個巨大的挑戰(zhàn)，但經(jīng)過一年的數(shù)據(jù)收集和將近5年的數(shù)據(jù)分析，GP-B項目的科學家們認為他們已經(jīng)幾乎接近完成這項工作。 艾福瑞特說：“我們測量到測地線效應值為+6.600或-0.017，慣性系拖曳效應值為+0.039或-0.007�！� 測地線效應是指由于地球的靜止質(zhì)量引起的陀螺旋轉(zhuǎn)軸改變，也即時空的凹陷。而慣性系拖曳效應則是由于地球自轉(zhuǎn)導致的陀螺旋轉(zhuǎn)軸改變，也即時空的扭曲。測量得到的這兩組數(shù)據(jù)都和愛因斯坦理論的預測非常吻合。 偉大的實驗 威爾說：“根據(jù)我領(lǐng)導的委員會對此的看法，這項工作簡直具有英雄氣概。我們都被驚呆了！” 引力探測衛(wèi)星-B的測量結(jié)果具有革命性意義，因為它讓物理學家們更有信心，愛因斯坦的理論看上去實在非常古怪，讓人難以接受，但事實反復證明它確實是正確的，并且可能是一個普遍的理論。地球附近空間存在的時空漩渦在其它大質(zhì)量天體附近也一樣存在，如中子星，黑洞和活動星系核等，只不過那里的時空漩渦更加劇烈，規(guī)模更加大而已。 威爾說：“如果你想在一個黑洞周圍高度扭曲的時空中完陀螺，它不會出現(xiàn)那么輕柔的偏轉(zhuǎn)，它會劇烈晃動，甚至整個倒過來。” 在雙黑洞系統(tǒng)中，兩個黑洞相互繞轉(zhuǎn)，而黑洞本身也在自轉(zhuǎn)，它的本身就相當于一個旋轉(zhuǎn)的陀螺。想象一下，一對相互繞轉(zhuǎn)，存在自轉(zhuǎn)，還在瘋狂晃動翻轉(zhuǎn)的黑洞吧！這雖然聽起來實在非常詭異，但這就是愛因斯坦的廣義相對論所預言的。而這一次引力探測器-B的測量結(jié)果則證明，這種情形是確實可能的！ 這項偉大實驗的意義還不僅僅局限在對廣義相對論的檢驗，它還深刻影響了數(shù)百位年輕物理學家的生活。 艾福瑞特說：“由于這項實驗主要以大學為主導進行，很多學生直接參與到了研究工作當中。斯坦福大學有超過86位博士生參與了研究工作，還有14位來自其他大學的學生獲準加入了科學團隊。除此之外，數(shù)百名本科生和55名高中生也參與了項目的輔助工作。宇航員薩利·賴德(Sally Ride)和諾貝爾獎獲得者，著名物理學家埃里克·康奈爾(Eric Cornell)也加入了這項實驗工作�！� 美國宇航局自1963年開始便持續(xù)撥款支持引力探測器-B的研究開發(fā)工作。這意味著艾福瑞特和他的一部分同事們已經(jīng)在這個項目的設計、建造、運行和數(shù)據(jù)分析工作上花費了整整47年時間！從而使其成為美國國家航空航天局(NASA)歷史上研發(fā)持續(xù)時間最長的科學項目。這確確實實是一項史詩般的工程！ 未來的路 那么接下來呢？ 艾福瑞特想起了他的論文導師，諾貝爾獎獲得者，著名實驗物理學家帕特里克·布萊克特(Patrick M.S. Blackett)給他提出的建議：“如果你在物理學研究上不知道下一步該做什么，那么就試著開發(fā)一些新技術(shù)，它們會帶你找到新的方向。” 艾福瑞特說：“好吧，我們在研制引力探測器-B的過程中開發(fā)了13種新技術(shù)，誰知道這些新技術(shù)會將我們引向何方呢？”不過畢竟，這條史詩般的漫漫科學之路，我們已經(jīng)邁出了第一步。 |
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