地球旋转扭曲时空 相对论再被证实

图一:地球上由于物质密度各处存在差异,使得地球重力场并不均匀,增加了判断时空扭曲存在难度。NASA“葛雷斯”重力探测卫星得出的地球重力分布图,红色代表高重力区域,蓝色则代表低重力区。

  图二:图为地球周围引力场和时空结构拖曳扭曲时的情形。

TOM科技讯 近日一项最新研究表明,早先物理学家利用爱因斯坦广义相对论所做出的预测再次被证实:在旋转行星周围,的确有时空平面扭曲现象存在。

在研究中,天文学家通过分析两枚绕地球轨道的人造卫星11年来的运行轨迹,发现由于地球旋转所造成特异的空间结构,使得这些卫星平均每年出现大约2米的轨道偏移现象。参与该项研究的科学家表示,他们在上世纪九十年代末曾得出过同样的发现,但是这次所得出结果将更加精确可靠。

旋转引发时空结构拖曳

这种时空扭曲被称作“时空结构拖曳(frame dragging)效应”,它是对牛顿经典万有引力理论的局部修正。该原理最早出现于1918年,当时是由奥地利物理学家约瑟夫-伦泽和汉斯-塞林共同提出的,他们利用爱因斯坦的相对论原理预测出,在旋转物体周围有时空结构扭曲的发生可能,因此这也被称为“伦泽-塞林效应”。

科学家对时空结构拖曳产生原理的理解认为,任何有质量的物体对其周围的时空机构都会产生扭曲作用,这就好像在质量巨大的物体附近的某个弹性膜会发生变形一样。如果物体还存在着旋转运动,另一种变形就随之产生,这就和弹性层被一个旋转的大轮子搅拌起来的情景相类似。

领导此次研究的意大利科学家格纳乔-休伏里尼认为,地球就是一个质量巨大的旋转物体,如果它周围的时空果真被扭曲了,那么绕在地球周围的人造卫星就是在一个变了形的三维空间内运行着。可以想见,这就像物体在一个变形的弹性层上移动一样,其运动轨迹必定出现不规则现象。

格纳乔-休伏里尼的研究小组对两颗名为“拉奇奥斯”和“拉奇奥斯2”人造卫星上发回的数百万个信号进行了分析。研究结果表明,其运行轨迹的确并非象原先设计的那样合乎规范,有明显证据表明有99%的时空结构出现了扭曲现象。据介绍,该项研究成果将刊登在10月21日出版的《自然》杂志上。

美国科罗拉多大学的物理学家尼尔-阿什比教授认为:“此次的分析研究工作是对时空结构拖曳效应有史以来最为可靠的一次准确分析。在验证爱因斯坦相对论预测的研究中,测量的准确性将是至关重要,它将有助于科学家重新审视我们周围广袤的时空宇宙。”

早在1996年,意大利科学家格纳乔-休伏里尼和他的研究小组就已经发现,环绕地球的卫星轨迹并不稳定,种种迹象预示地球的自旋运动影响了周围的时空平面出现拖曳扭曲效应。但是由于科学家们对地球周围不均匀的重力场情况还不清楚,对是否存在时空扭曲现象无法下最终定论。为此,美国太空总署(NASA)的“葛雷斯”重力探测卫星将给下一步的研究提供帮助。

黑洞理论又添佐证

与此同时,此次最新研究结果也将对宇宙黑洞的理论研究产生影响。事实上,由于黑洞的质量比地球大得多,许多关于时空扭曲的观测最早就是在黑洞附近被发现的。

  图三:宇宙中黑洞旋转引发的时空扭曲效应,以及黑洞猛烈物质喷射时的场景。

  图四:宇宙黑洞的计算机模拟图,黑色区域代表黑洞结构,周围网格表示黑洞旋转时扭曲变形的时空结构。旋转的黑洞(右图)扭曲时空,物质被吸进去后一去不会头(出现物质极限点);而在不旋转的黑洞(左图)周围物质被吸引后仍然可被观测到。

天文学家在1997年曾经首次注意到,在一些宇宙黑洞周围,气体物质以一种螺旋抖动的运动状态下被吸进黑洞内部,这种情形就像是一个旋转的陀螺所产生的动力效应象类似,但是在黑洞附近所发生的情况异常剧烈,远非一般力学原理能解释清楚的,很可能就是由于其所处的时空结构被旋转着的巨大质量黑洞扭曲后产生明显“时空结构拖曳”所致。

另一方面,这次的研究结果也进一步显示,宇宙中的黑洞结构的确是一种高速旋转的天体,其周围的时空扭曲效应将对黑洞剧烈的物质喷射现象起到重要的作用,这就和一个巨大的陀螺仪在旋转时所出现的情形一样。另据一些黑洞研究者观测发现,宇宙中黑洞的物质喷射会指向一个恒定的方向,并且稳定持续数百万年的时间。为此,天文学家表示:“如果要制造一个天体物理学意义的超级武器,也许就可以利用类似的原理。在理想状态下制造出一个超级陀螺回旋装置,当它旋转起来时借助时空扭曲效应,就可以向一个固定的方向开炮,但是数百万年持续破坏的威力到底有多大那就不得而知。”

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