书城科普读物宇宙到底有多重
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第27章 “引力探测器B”飞船的质量

自从爱因斯坦发表相对论以来,科学家们已经多次观测到光束和无线电波在经过太阳附近时出现微弱偏折现象,证实了相对论所预言的引力弯曲效应。不过,相对论预言的另外两种效应,迄今尚没有得到直接测量的证实。

爱因斯坦认为,地球的巨大质量会使地球周围原本平直的时空结构出现“凹陷”,引力其实就是物体沿着时空中的这种“凹陷”部位的曲线运动。此外,由于地球的自转,将会带动周围时空结构中的这种“凹陷”一起运动,从而能将这种“凹陷”结构轻微扭曲成四维“旋涡”结构。这两种现象分别称为测地效应和惯性系拖曳效应。

这两种效应在地球表面过于微弱,在1年内造成的扭曲结果仅为十万分之一度,相当于人们从400m外看一根头发丝那么细的物体。由于受测量技术所限,数十年来科学家们一直难有进展。

既然在地面上难以观测,能不能把实验移到太空中呢?1959年,三位美国科学家首次提出利用人造卫星探测引力效应的想法,其基本原理是:把一个旋转的陀螺仪放在地球的轨道上,将陀螺仪的自转轴对准一颗遥远的恒星作为固定的参考点,如果空间是扭曲的,陀螺仪的轴向就会随着时间轻微地改变。只需精确记录下陀螺仪的轴向相对于参考恒星的改变量,就能测量出时空的扭曲程度。

差不多经过了半个世纪,直到2004年4月,用于检验这两种时空效应的“引力探测器B”飞船终于发射升空。该飞船长6.4m,质量3.1吨,最主要的仪器是非常灵敏的超高精度回转陀螺仪。其中的4个由石英制成的陀螺旋转球经过精心打造,表面光滑无比,偏圆误差不超过数个原子的大小,被称作迄今人类制造出的最完美和最滚圆的球体。

为了提供一个近乎理想的时空参照系,这些陀螺仪必须处在最安静的环境下,丝毫不受任何外力的影响。旋转球以电场力方式悬浮在陀螺仪的中心位置,在真空状态下,以每分钟1万转的速度在一个对准了参考恒星的望远镜内旋转。望远镜外部包裹着超导铅袋,使其不受外界磁场影响。这些仪器被置于液氦冷却的绝热真空容器中,处于接近绝对零度的环境下,外面还有4层铅保护层,隔绝任何外界干扰。

如果爱因斯坦的预言是正确的,由地球导致的时空弯曲会使这些陀螺仪小球的旋转产生不平衡,逐渐脱离准线,并使陀螺仪沿着与地球自转轴相垂直的方向旋转。虽然这些变化很微细,但可以被飞船内的超导量子干涉仪感知。目前,该飞船已完成数据收集任务,科学家正在对这些数据进行分析。