捕捉时空的旋涡 微妙的扭曲

距地球表面约640公里的极地轨道上,美国宇航局(NASA)的“引力探测B”卫星正在正常运转。太阳能电池板在发电,所有的设备都得到电力供应。卫星与地面站和中继卫星之间的通信状况良好。如果一切顺利,它将收集到一批科学家期待了近90年、筹划了约半个世纪的数据,以检验广义相对论所预言的某种时空扭曲是否真的存在。

这项耗资7亿美元的探测任务,是将以事实给爱因斯坦的理论再添一块基石,还是将动摇它、并从根本上改变我们对宇宙及其演化史的认识?要回答这个问题,我们最好期待,那个异常精密的大家伙,能够按计划运行16个月不出半点差错。

微妙的扭曲

要一定程度地理解相对论--专业搞物理的人即使懂得很多,也不大说“真正理解”,只有江湖科学家最敢一眼看透相对论并且推翻它--必须学习许多物理和数学。我辈非专业人士就只能通过比喻和想象来捉摸了。1915年,爱因斯坦把空间与时间结合成为一个数学对象,这个称为“时空”的东西具有与橡皮膜类似的性质:会变形。一个球(例如太阳)放在上面,会把膜压塌下去产生一个坑。经过太阳附近的物体,会掉到坑里。这就是经常在科普和科幻作品里出现的“弯曲空间”。当然,我们平时把这种现象称为,物体受到了太阳的引力作用。

想象图:GP-B在工作中

根据我们的日常经验,光线所走的路是最直、最短的。不过,即使是没有质量的光,在弯曲空间中行进时,路径也会弯曲起来--但是,这条路仍然是这个弯曲空间里的最短路径,称为“测地线”。光线经过一个大质量天体附近时,受其引力作用(或者说进入了该天体附近的弯曲空间),路线会发生偏转,称为“测地线效应”,偏转程度可以根据光速和天体质量计算出来。爱因斯坦当年计算出,光线在太阳附近的偏转角度是1.7秒。1919年,英国天文学家爱丁顿(传说中曾自夸是除爱因斯坦外唯一懂得相对论的人) 在日全食发生之际,率领观测队证实星光在经过太阳附近时的确发生了预期中的偏转。广义相对论得到了实验证据支持,这是科学史上的一个重要转折点。

对相对论的另一次著名检验发生在1976年6月18日。NASA的“引力探测A”卫星发射升空,进入1万公里高的轨道,携带着一台超精密的原子钟在大西洋上空飞行了116分钟。与此同时,另一台一模一样、经过校准的原子钟在地面上运行着。如相对论预测的那样,卫星携带的原子钟由于处于较弱引力场中,运行速率与地面的原子钟存在差异。也就是说,引力影响了时间的快慢,这就是引力红移效应。

广义相对论预言,还存在另一种更加微弱的时空扭曲,这是奥地利物理学家Joseph Lense 和Hans Thirring于1918年提出来的。他们说,一个旋转的物体特别是大质量物质,除了“测地线效应”导致的空间弯曲之外,还会因为旋转而产生另一种称为“惯性系拖曳”的空间扭曲效应,其情形有如勺子在糖浆里搅动形成旋涡。这个效应比“测地线效应”还要微弱得多,因此在提出之后80多年时间里,它一直处于人力所能达到的观测精度之外,得不到检验。20世纪90年代晚期,一些X射线天文学家认为,他们间接观测到了这个效应。在拥有巨大质量中子星或黑洞周围,有着旋转的气体尘埃盘,它们发出强烈的X射线流。如果旋转的中子星或黑洞扭曲了周围的时空,就会使尘埃盘抖动,导致X射线流出现变化。科学家说,他们观测到了这样的变化。然而,一些与“惯性系拖曳”效应无关的理论似乎也能解释这些变化,因此这并不算一个确凿的证据。

“引力探测B”的任务,就是以前所未有的精度观测“测地线效应”,然后把它的影响扣除掉,从剩余的数据里直接寻找“惯性系拖曳”效应的迹象。

精密,更加精密

“引力探测B”的核心部件是4个陀螺仪。这种又称为回转仪的元件,通常用来给飞行器定位、使之保持稳定。例如国际空间站装有4个陀螺仪,现在已经坏掉了2个,宇航员们打算在近期内进行太空行走,对它们进行修理。

理论上说来,“引力探测B”要做的事很简单:陀螺仪固定在望远镜上,在飞行过程中,望远镜始终朝向某颗恒星,陀螺仪的自转轴与望远镜到恒星之间的直线重合。地球自转时,在周围形成时空旋涡,陀螺仪的自转轴也会发生一点偏转。仔细测定偏转的程度,扣除地球质量本身导致空间弯曲的影响,就能观察时空旋涡是否存在。

把铃铛挂上猫脖子听上去容易,实际操作却存在巨大的技术困难,“引力探测B”也是如此。它的问题在于,“惯性系拖曳”效应实在太微弱了。计算显示,地球的这一效应,将使这些陀螺仪的自转轴发生千分之41弧秒的偏转。这个角度大概相当于从华盛顿观看一个放在洛杉矶的硬币产生的张角。一点微小的误差就可以把实验毁掉,必须竭尽所能地做到精密。

陀螺仪,右边的圆球就是石英制的转子,近乎完美的球体

“引力探测B”的4个陀螺仪是世界上最精密的陀螺仪。它们的主要部件由石英制成,石英是一种非常稳定的矿物,基本不受温度变化的影响。每个陀螺仪的转子是一个乒乓球大小的石英球,表面涂着一层极薄的金属铌,它们能以每分钟1万转的速度旋转。这些石英球是人类迄今制造过的最接近完美球体的东西。如果把一个石英球放大到地球那么大,那么它表面上最高山峰顶点与最深海沟底部之间的高度差还不足5米。

陀螺仪用一个长2.74米、形状像香烟的结构封装。在这个结构里面,是比外层空间还要“空”十倍、接近绝对真空的真空。再外层,是一个装有2441升液氦的罐子。这些液氦的温度只比绝对零度高出1.8度,用于冷却陀螺仪、避免热量影响实验结果。如此的低温足以使石英球表面的金属铌进入超导状态,而石英球的自转轴方向,就由这个超导体的磁场决定。

装液氦的罐子

除了核心的转子,其它部件也要尽一切可能消除任何电子或机械缺陷的影响。另外,人们还要观察用于定位指向的恒星--飞马星座中的一对双星--的运动,将这个因素考虑进去,保证不因为恒星位置的微小漂移而导致定向失误、前功尽弃。至于卫星本身的运行轨道,也是几乎完美的圆形。

半个世纪的期待

“引力探测B”卫星由斯坦福大学设计,洛克希德-马丁公司承制,重3.1吨,长6.43米,直径2.64米。如果拆掉太阳能电池板,它看起来颇有点像一台水泥搅拌机。这个庞大、沉重又异常精密的东西,自然也是异常昂贵的。它是NASA最早决定上马的项目之一,但庞大的标价签好几次使它差点完蛋。尤其是因为,它所要检验的是一个几乎无人怀疑的理论。尽管负责项目的科学家非常高姿态地表示,他们对于一切结果都保持“开放的头脑,但实话说,广义相对论真的被这个实验“推翻”的可能性很小。

“引力探测B”的历史可以追溯到将近半个世纪以前。有关方案于1959年首次被提出,1963年得到NASA的第一笔资助。但当时的技术条件不足以实施这项计划。在这期间,NASA于1976年执行了“引力探测A”计划,证实了引力红移效应。但在这个实验成功的第二年,NASA的拨款到期,“引力探测B”项目停滞了。

1980年代初该项目重新上马。科学家原打算用航天飞机将卫星送入轨道,但1986年挑战者号的爆炸使这个计划被取消,德尔塔II型火箭成为“引力探测-B”新的运载工具。在接下来的岁月中,项目的进度比想象的更缓慢。它曾经数次面临被国会终止的危险,但是每一次科学家都成功的说服了议员们把这个项目保留下来。

最后一次“生死抉择”发生在2003年。当卫星组装完毕、进行热真空实验之后,它出现了一些故障。NASA险些要终止掉这个漫长的项目,但是考虑到热真空实验出现的问题只是一些次要的技术问题,最终还是让它活了下来。2004年4月20日,“引力探测-B”终于在加利福尼亚州范登堡空军基地升空。

火箭升空

并非每个参与的科学家都有幸看到它飞向太空。计划的发起者Leonard Schiff已于1971年逝世。目前主要负责的科学家之一、斯坦福大学教授Francis Everitt于1960年离开他的故乡英国,准备到美国待上“两三年”,结果在1962年加入了这个计划,40年过去了他还在这里。这个跨世纪计划培养了94名博士,15名工程硕士,还提供了超过300个研究机会。

所有这些努力都是为了一个目的:检验广义相对论预言的现象。该计划的科学主管Sasha Buchman说,实验的结果并非简单的给广义相对论画一个对号或者错号,而是帮助科学家发现那些被爱因斯坦的理论所预言的更微弱的效应是否能被探测到。“它会帮助我们更好地理解相对论。”

陀螺仪,背景是爱因斯坦像

如果幸运的话,18个月之后我们就可以看到结果。假如观测顺利完成而结果与广义相对论不符,科学家们会异常兴奋。当然,包括NASA天文和物理分部负责人Anne Kinney在内的多数科学家都认为,结果很可能与教科书是一样的。

作者: 
三思科学
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