[轉載]引力探測器B：小陀螺，大實驗

Shea/編譯

藉由引力探測器B實驗，科學家們研發出了尖端技術來檢驗愛因斯坦的廣義相對論。

　　2011年5月4日，科學家們公布了引力探測器B（GP-B）所獲得的結果，證實了愛因斯坦的廣義相對論所預言的兩個效應。這同時也宣告了美國宇航局（NASA）歷史上耗時最長的任務之一的正式結束。從最初的想法到讓人筋疲力盡的數據分析，GP-B跨越了差不多半個世紀。這個項目本身就需要研發尖端技術，而科學家們也不得不想盡辦法來對付突然出現在數據中的意料之外的信號。

　　GP-B的原理極為簡單——把一個快速自轉球體的自轉軸指向一顆遙遠的恆星，然後測量隨著時間該自轉軸的指向是否會如廣義相對論預言的那樣發生變化。但實踐起來卻極其的困難。

時空和引力

　　廣義相對論是目前描述引力的最佳理論。在1916年前，科學家認為物質是被動地穿行於時間和空間背景中的。而後，愛因斯坦提出，時間和空間並不是分立的，而是一個整體（時空）；物質會改變時空，而時空也會改變物質的運動。

　　就像把一個保齡球放在一張蹦床上會產生凹陷一樣，一個大質量的物體——例如，地球——也會改變時空。由地球所產生的時空曲率會影響地球人造衛星的運動。廣義相對論對此給出了定量的結果，使用極其靈敏的儀器科學家們可以來檢驗它。

　　愛因斯坦的理論預言，如果在地球周圍彎曲時空中有一根大頭針，當它繞地球一周回到起點時，其針尖的指向會有微小的變化。這被稱為測地效應。此外，就像在一個充滿了蜂蜜的池子中運動，由於地球還在自轉，它會稍稍地拖著其周圍的時空和它一起轉動。物理學家把它稱為參考架曳引效應。

　　這兩個效應都非常微小——在天空中只有幾個角秒或者更小得多。因此在我們的太陽系中，相對論只不過是低聲呢喃。

[圖片說明]：根據廣義相對論，任何一個有質量的物體都會使得時空彎曲並會隨著它的轉動而拖曳周圍的時空。2004年發射的引力探測器B就是來檢測這兩個效應的。版權：GravityProbe B Team/Stanford/NASA。

願景

　　背景噪音可以輕易地掩蓋掉任何測地效應或者參考架曳引效應的信號，這使得檢測它們十分的困難。科學家們需要一個精確的方法來甄別出它們。1959年末和1960年初，在相隔數月的時間裡，兩個物理學家——美國麻省理工學院的喬治·皮尤（GeorgePugh）和美國斯坦福大學的倫納德·希夫（LeonardSchiff）——各自獨立地提出使用放置在地球軌道上的陀螺可以來檢驗廣義相對論。把陀螺送入太空可以擺脫地球大氣的干擾，同時它也意味著該實驗可以免受地球表面重力的影響。

　　在同低溫材料方面的物理學家威廉·費爾班克（William Fairbank）和羅伯特·坎農（RobertCannon）討論了最新的陀螺技術之後，希夫在1960年底發表了一篇關於這個想法的更全面的論文。1962年，弗朗西斯·埃弗里特（FrancisEveritt）來到了斯坦福大學並加入了這個團隊。（他最終成為了該實驗的首席科學家並參與這個項目近50年。）同一年，他們向NASA提出經費申請，於1964年3月獲得了批准。

　　由於管理上的挑戰以及儀器的製造，GP-B耗時數十載，其所需的技術在希夫及其同事提出該任務時都尚未問世。在它最終於2004年發射升空時，GP-B的科學家開發出了超過十幾種的新技術，這其中包括超高精度的陀螺與監測它們運動的方法以及對全球定位系統的升級。GP-B所採用的一些低溫技術也被應用到了NASA其他的任務身上，例如紅外天文衛星和宇宙背景探測器。

為什麼是引力探測器「B」？　　事實上，引力探測器B（GP-B）是美國宇航局（NASA）第二個用來檢驗愛因斯坦廣義相對論的空間任務。之前的第一個任務引力探測器A（GP-A）於1976年6月18日發射，在太空中僅逗留了1小時55分。這個NASA和美國史密松天體物理台的聯合實驗按照預期上升到了到地球表面之上10,000千米，隨後墜入了大西洋。　　GP-A使用了極其高精度的鐘來檢驗愛因斯坦廣義相對論的一個基本結論——引力會讓時間變慢。GP-A團隊發射了一個會發出微波信號的原子鐘。在實驗期間，它們把這些信號和地面上兩台相似的鐘進行比較，發現安放在火箭上的鐘隨著其不斷升高——地球引力會不斷變小——會走得稍快。探測到的變化率為萬分之1.4，與廣義相對論的預言相符。

命途多舛

　　1977年6月，在許多所需的技術已實現之後，GP-B的狀態從「探索性研究」轉變成了「技術研發」。就在一切看上去都在穩步推進的同時，1982年的一項深入研究得出結論，該探測器會過於龐大，耗資也過於巨大。因此，GP-B團隊不得不從1983年開始對這個項目進行完全地改造。

　　1994年——也就是GP-B團隊獲得第一筆資金30年後，GP-B和NASA簽署了協議，真正把它列入了NASA官方的空間任務。他們把發射的時間定在了2000年10月。不幸的是，意料之外的技術問題卻一個個地接踵而至。

　　最突出的是，1998年在測試裝有2,440升液氦的杜瓦瓶和放置整個科學儀器的探測器時，科學家們發現熱連接存在問題。在探測器內部有4扇窗，設計來反射和吸收紅外輻射同時又可以讓可見光通過進入後面的望遠鏡。在把陀螺安放入探測器之後，GP-B團隊測量發現每一扇窗的溫度都過高。他們有兩種選擇：把整個探測器拆開並推遲發射2年或者是在上面鑽孔。

　　GP-B團隊選擇了第二種方案，而這花了他們7個月時間。這其中的關鍵點是既不能破壞真空造成泄漏，同時還要防止鑽孔時所產生的碎屑掉到陀螺上。這是GP-B項目需要創新思維的另一個案例。

[圖片說明]：引力探測器B通過測量陀螺自轉軸指向和遙遠恆星間的偏移來檢驗廣義相對論。版權：Gravity Probe BTeam/Stanford/NASA。

開始實驗

　　在40年的技術研發和測試之後，2004年4月20日GP-B由波音公司的德爾塔Ⅱ型火箭發射升空，進入了一條從地球兩極上空642千米處環繞地球的圓軌道，軌道周期為97.5分鐘。在任務的數據採集階段（持續50周），GP-B繞地球轉了超過5,000周。

　　當GP-B進入了它的越極軌道之後，科學家們就立刻把它上面所帶的望遠鏡鎖定住了引導星飛馬IM，然後開始了比預期得更漫長的過程來把陀螺加速到所需的轉速。這花了超過一個月的時間，最終每個陀螺每分鐘可以轉4,000圈左右。在總共4個陀螺中，有2個沿順時針方向轉動，另外2個則沿逆時針轉動。隨後科學家們開始把陀螺的自轉軸調到和望遠鏡一致。整個校準和調整花了129天，是預期的2倍。

　　為了在數據中甄別出微弱的廣義相對論效應，科學家們不得不把會掩蓋它們的噪音控制在最小的程度。因此，GP-B的機械設計必須要滿足7個「近零」條件。這就是說科學家必須很好地控制7個實驗條件，避免讓它們影響數據。其中有3個條件和陀螺有關，另外4個則關乎探測器內部的實驗環境。

[圖片說明]：引力探測器B上所用的球形陀螺，直徑38毫米，是世界上最圓的人造物體。版權：Don Harley/GravityProbe B Team/Stanford/NASA。

接近完美

　　為了在地球表面附近測量由廣義相對論效應所產生的變化，每一個陀螺都必須是一個完全光滑的球形，精度要達到十億億分之一。其表面的任何一丁點突起都會使得作用在球面上不同地方的引力會有些許的不同。這一差異會影響陀螺的運動，進而廣義相對論的效應就會完全湮沒在其中。

　　把陀螺送入太空而非放置在地球上的實驗室里可以把這一干擾減小到一千億分之一——因此為了達到十億億分之一，每個陀螺在製造時其表明的光滑程度必須要達到一百萬分之一。為了做到這一要求，科學家們製造出了迄今最圓的人造物體；根據吉尼斯世界紀錄，GP-B的陀螺是最圓的人造體。如果這個直徑38毫米的熔融石英球被放大到地球的大小，那麼其表面最高的山或者是最深的海底距離海平面只有2.4米。

　　每一個陀螺都被超導材料鈮所包裹，這樣它們就會在電的作用下漂浮起來。通過一個小孔流入的液氦就會使得陀螺轉起來。由於周圍的鈮，陀螺於是成為了轉動超導體，它會產生和自轉軸永遠重合的磁矩。因此，只要測量4個陀螺的磁矩，科學家們就能跟蹤它們自轉軸的指向。

　　GP-B是一個「無拖曳」航天器，這意味著它總會以自由下落的方式繞地球轉動。實驗裝置內的4陀螺會無重力地懸浮，由此它們只會感受到廣義相對論效應。其想法就是要避免來自大氣或者太陽輻射壓的阻力干擾陀螺。那麼工程師是如何做到這一點的呢？感測器會監視陀螺和它所在的艙體，如果陀螺有朝任何一個感測器運動，那麼GP-B上的小推進器就會點火，調整整個探測器的位置來把陀螺重新置於容納其艙體的中心。其本質是探測器在軌道上跟著陀螺飛行。

　　GP-B同時也是第一個擁有6個運動自由度的航天器：除了上下、左右和前後運動之外，它還可以上下俯仰、左右偏轉和轉動。為了均衡陀螺上的額外熱效應，每77.5秒GP-B會沿著其自身的長軸轉動一周。

[圖片說明]：引力探測器B是迄今最尖端的航天器之一，裝有2,440升溫度在1.8開左右的液氦。版權：Gravity Probe BTeam/Stanford/NASA。

首批結果

　　科學數據的採集從2004年8月27日正式開始，耗時50個星期。由於沒有人確切知道液氦能維持多長時間，GP-B團隊在2005年8月14日終止了數據採集，並進入了科學後校準階段。46天之後液氦耗盡，科學家們開始了繁重而漫長的數據分析。電子設備會記錄下對陀螺進行測量的時間，精度可達0.1個毫秒。因此科學家們可以不斷地跟蹤陀螺的運動。甚至在處理所得到的數據之前，他們其實就看到了測地效應的證據。

　　GP-B團隊在2007年1月該項目結束後不久就公布了有關測地效應的測量結果。廣義相對論預言，測地效應每年會使得陀螺的自轉軸偏移6,606個毫角秒；GP-B上陀螺的平均自轉軸相對於引導星偏移了6,602個毫角秒，誤差大約是0.5%。

　　甄別出參考架曳引效應則花了更長的時間——差不多5年的數據分析。廣義相對論預言其偏移量為每年39.2個毫角秒，這就使得剔除噪音的干擾變得甚至更為重要。

　　雖然GP-B團隊希望能把對參考架曳引效應的測量精度提升到1%並由此成為對該效應的最精確測量，但他們最終不得不接受精度只有約19%的這一現實。他們測量到的偏移為37.2個毫角秒，誤差±7.2個毫角秒。其他實驗則報告稱觀測到的參考架曳引效應誤差小於10%。

　　不幸的是，雖然GP-B的陀螺在機械上確實是球形的，但是在帶電的情況下卻遠非如此——這一效應比預期的要大得多。埃弗里特說：「在發射之前我們曾想過這個問題，但我們沒有想對。」

[圖片說明]：引力探測器B實驗的核心要件：引導星飛馬IM、裝有液氦杜瓦瓶、望遠鏡、陀螺和控制其無拖曳飛行的微推進器。版權：KatherineStephenson/Gravity Probe B Team/Stanford/NASA。

從簡單到複雜

　　實際上，在陀螺和容納它的艙體上存在有帶電量不同的區域。這些區域間的相互作用會通過3個不同但卻相連的效應來改變陀螺的運動。

　　一開始所有的陀螺都在正常運轉，然後其中一個會改變它的指向一到兩天，然後又回到最初的狀態。隨後另一個陀螺也會出現相似的運動。一些陀螺相比其他的會更多地出現這樣的「跳躍」。

　　這些「跳躍」的關鍵點和固體的的轉動有關。每一個物體在其中心都具有3個彼此垂直的軸，由此它可以繞著其中的任何一個轉動。雖然對於木塊而言這一轉動會較為明顯，但對於GP-B上的每一個陀螺也是如此，因為畢竟它們並不是完美的圓形。

　　GP-B團隊分析這些數據花了很多年的時間，2011年5月他們公布了最終的結果。這些位置變化並不是隨機的，相反它們會出現在發生特定共振的時候——GP-B自轉周期77.5秒的整數倍。GP-B自身整體的運動偶爾會導致陀螺指向新的方向。

　　雖然一些人可能會對參考架曳引效應的測量結果感到失望。但GP-B任務的重要性在於它用完全不同於以往的方法驗證了愛因斯坦的廣義相對論。埃弗里特說：「你可以用鍾來檢驗廣義相對論；你也可以用光子來檢驗廣義相對論；或者你還可以用機械物體，例如陀螺，來檢驗廣義相對論。」如果綜合不同方法的測量結果發現它們都支持廣義相對論，那麼它們就是佐證這一理論的強有力證據。

　　GP-B團隊運作了一個巨大的項目——在這個實驗開始的時候，有關的高精度測量技術甚至都並不存在。但是在50年之後，GP-B和它的數據卻讓我們更好地認識了時空的特性。

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