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时空漩涡

科学家们将一个陀螺仪送上地球轨道,使它的一个旋转轴指向一颗遥远的恒星作为参考点。在没有任何外力作用的情况下,这一旋转轴应当永远指向这一颗恒星。但如果空间是扭曲的,那么陀螺仪的指向会随着时间推移发生改变。通过对这种改变的精密检测,科学家们能了解时空弯曲的相关信息。

这说起来似乎很简单,但真正做起来却非常艰难。

首先,制造引力探测器B中4个高精度陀螺仪需要用到精度极高的球体。事实上,这些陀螺仪内部的转子是人类迄今制造过的最完美球体。它们的大小约相当于一个乒乓球,由熔凝石英和硅材料制成,其相对完美球体的误差在任何方向都不超过40个原子的厚度。这样高的精度是必须的,因为如果不是这样做,那么这些陀螺仪转轴的晃动将出现误差。

根据爱因斯坦理论进行的估算显示,地球周围空间的时空扭曲将导致陀螺仪旋转轴出现每年0.041弧秒的改变。1弧秒等于1/3600度。为了测出这样微小的改变量,GP-B探测器必须具备0.0005弧秒的精度。这就相当于让你测量放在100英里(约合161公里)之外的一张纸的厚度。

对此,威尔说:“GP-B探测器项目的工程师们不得不发明一整套全新的技术来满足这种不可思议的要求。” 举几个例子,工程师们开发了一种“无拖曳”卫星技术,它可以让卫星擦过地球最外层大气却不会造成对其内部陀螺仪的扰动。他们还开发出独特的技术来防止地球磁场穿透探测器从而影响其测试精度。最后,他们还设计出一种技术来测量陀螺仪的旋转角度,但整个过程中不会触碰到陀螺仪从而对其造成影响。即便克服了制造和设计上的技术困难,进行这项精度空前的实验本身同样是一个巨大的挑战,但经过一年的数据收集和将近5年的数据分析,GP-B项目的科学家们认为他们已经几乎接近完成这项工作。

艾福瑞特说:“我们测量到测地线效应值为+6.600或-0.017,惯性系拖曳效应值为+0.039或-0.007。” 测地线效应是指由于地球的静止质量引起的陀螺旋转轴改变,也即时空的凹陷。而惯性系拖曳效应则是由于地球自转导致的陀螺旋转轴改变,也即时空的扭曲。测量得到的这两组数据都和爱因斯坦理论的预测非常吻合。


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