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聊聊狭义相对论-第38章

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  除了水星进动、光线弯曲之外,引力红移实验、雷达回波的时间延迟实验、引力透镜等都支持了广义相对论。 
  如今,广义相对论业已成为了现代科学的支柱,在宇宙学、天体物理等诸多学科发挥了不可取代的作用。也产生了一堆令人费解、超乎大众想象的概念——黑洞、奇点、虫洞、时间旅行、引力波、宇宙弦…… 
  就是在今天,人们对广义相对论的实验验证依旧没有停止。像正在筹备的、探测黑洞周围的时空弯曲的LISA(the Laser Interferometer Space Antenna)探测器,将探测引力波的LIGO(the Laser Interferometer Gravitational…Wave Observatory)探测器,月球激光测距,精确测量光线弯曲的LATOR计划,还有正在紧张进行中的、直接探测时空弯曲的引力探测器B…… 
  在回到爱因斯坦身上之前,我们接着来看看那项非常庞大的引力探测器B实验。


美国东部时间2004年4月20日12时57分,历经40多年研发的美国引力探测器B(Gravity Probe B,简称GP…B)卫星在加州范登堡空军基地搭载波音的Delta 2型火箭升空。这是美国宇航局(NASA)资助约7亿美元、由美国斯坦福大学(Standford University)研制的科研项目,它将通过测量由地球引起的时空弯曲和由于旋转而引起的时空扭曲现象,从而检验爱因斯坦的广义相对论。 
  按照广义相对论,科学家们发现,由于地球质量的存在,将会使得周围的时空发生弯曲现象,他们将此称为“短程效应”(Geodetic effect)。除此之外,由于地球的自转,还会拖动周围的时空结构并发生扭曲现象,这又叫做“惯性系拖曳效应”(Frame dragging),这就有点像用绳子掉挂着一个旋转的小球,并把它放到豆浆里面,小球将会带动豆浆运动,这个效应之前从来没有被检验过。 
  而GP…B就是要测量这些现象,并给出最终的结论。 
  这个检验方案首先是由两位科学家George Pugh 和斯坦福大学物理学院的Leonard Schiff在1959年和1960年期间独立提出来的。1962年,现今GP…B的首席研究员Francis Everitt教授来到斯坦福大学。在1964年,NASA开始正式对这个计划实施资助。1982年,NASA完成了对GP…B方案的研究。1983年,斯坦福大学决定制造专门的杜瓦瓶(Dewar,也叫做真空瓶)。1999年,所需的陀螺仪(Gyroscope)和望远镜(Telescope)制造完成。2003~2004年间,所有工作接近尾声。最终,GP…B成功在4月升空。 
  这是一场马拉松式的科学研究。前后从实施到制造完成,用了40多年。在此期间,围绕GP…B产生了约100篇博士论文。当年参加该项目的小伙子现在已是白发苍苍的老教授。像Francis Everitt教授,刚接触GP…B时才28岁,如今早已年过花甲。 
  我们来看看GP…B是怎样检验广义相对论的预言的。 
  陀螺仪是一种自旋的仪器,它在处于自旋状态并指向一颗恒星后,可以保持自旋方向不变。然而在太空中,由于受到地球的“短程效应”和“惯性系拖曳效应”的影响,它的指向将会发生变化。我们只需要来测量这样一种微小的变化,就有机会来检验广义相对论了。 
  科学家解释说,由于GP…B卫星的轨道是极轨道(polar orbit),也就是说它每圈都会经过两极的上空,所以这两种效应是能够区分开来。具体而言,“短程效应”将会使得陀螺仪的自旋轴每年漂移0。0018度(这相当于在0。4千米之外看到人的头发丝的宽度),而“惯性系拖曳效应”则小得多——每年0。000011度。 
  为了达到这样的精度,实验对仪器的要求可想而知了。 
  首先来看那4个乒乓球大小的陀螺仪,它们由石英制造而成,直径3。8厘米,号称为有史以来人类所制造的最完美、最滚圆的球体,各方向上的尺度误差不超过40个原子的尺度,它的光滑表面跟CD的相比,就像CD的表面跟砂纸比较。而且必须要求这些陀螺仪在太空中不受到外力的影响,它们以电浮的形式保持在真空中,并且被放置在一个铅金属制成的包内。 
  而安置陀螺仪的杜瓦瓶被处于接近绝对零度(1。7开尔文,即零下271度)环境中。为了达到这样的目的,瓶内装有400加仑的液氮。在低温情况下,铅变成超导,有效地屏蔽了地球的磁场的影响。再加上其他的保护措施,可以使得地球磁场对陀螺仪的影响降低到10…13。而为了探测陀螺仪的倾斜度,还运用了非常灵敏的超导量子干涉仪器(SQUID)。 
  至于那台望远镜,它里边包括一个不超过25美分硬币大小的探测仪器!它能够精确地测量出进入望远镜的星光量。主要用于对比望远镜的取向和陀螺仪自旋轴的夹角大小。 
  如今,距GP…B发射已经过去了3个年头,探测器的数据采集工作已经顺利完成,目前正处于数据分析阶段。 
  而根据在2007年7月份的更新消息来看,初步结果显示那两个效应都是可见的、比较明晰的,并且也是比较接近爱因斯坦的预言的,精度甚至超过了1%。但仍需进一步对数据进行更精确的处理。 
  而至于更新一轮的进展更新报告,按照计划将是在2007年的8月末。 
  根据来自2007年4月份在佛罗里达举行的APS(the American Physical Society)会议上的消息,2007年12月份将会完成GP…B所有的处理工作并且会发表最终的成果报告。 
  结果会是怎样呢? 
  其实,早在GP…B刚发射时,美国国家科学研究会就说了,如果GP…B实验成功,那么它将成为验证物理理论的一个经典实验。如果没有发现爱因斯坦理论的佐证,这次实验也将具有重要创造性的历史意义,因为那意味着现代物理学的基础——广义相对论将被改写。 
  新的荣耀? 
  新的乌云? 
  翘首以待吧!



好了,广义相对论就这样简单说说作罢,就此打住吧。 
  再回到爱因斯坦的身上。 
  他,是一个规律之美的永恒追求者! 
  在美国波士顿公共电视公司制作的介绍弦理论的影片《优雅的宇宙》(the Elegant Universe)中,是这样开篇的:“50年前,这座房子产生了现代科学界最大的谜团之一。谜团深奥异常,使现今数以千计顶尖物理学家仍在苦思破解之道。爱因斯坦最后20年的人生就在新泽西普林斯顿这座房子里度过,在2楼的书房里,爱因斯坦锲而不舍地探求这伟大的能涵盖宇宙万物的单一理论,即使临终时,爱因斯坦仍拿着笔记,努力想出一套方程式,那就是后来所谓的万有理论。他自信已达科学史首要发现的边缘,可惜时不予我,爱因斯坦未能圆梦。” 
  这里描述了爱因斯坦后半生的最高目标——统一场论。虽然爱因斯坦孜孜不倦,但是终究不能了却夙愿。 
  广义相对论诞生之后,爱因斯坦并没有停下步伐。在他看来,广义相对论远远不是他最理想的理论。在他看来,规律应该是非常简洁的,它甚至应该只用一组方程式就可以描述万事万物!现在,广义相对论仅仅是解决了狭义相对论的遗留问题,在引力的疆土上披荆斩棘。但是,宇宙的另一种力——电磁作用力,却还没能收归门下,量子理论的“反革命军”也尚未收服,来势汹汹。放眼四海,世间依旧是四分五裂,何时方是大一统呀? 
  爱因斯坦永远坚信,上帝创造这个世界的时候,只用了最简洁的一组方程。而从这组方程出发,将可以推出宇宙万物的运转规律,知道所有的粒子,得到全部的常数…… 
  是的,规律就应该是这样! 
  从乌云密布的革命年代到狭义相对论,再从狭义相对论到广义相对论,爱因斯坦正是凭着这种信仰,连连告捷,登上了一座又一座的颠峰…… 
  1923年他在瑞典的诺贝尔奖获奖演讲中就指出:“一个寻找统一理论的人绝不满足于存在两种性质上完全独立的场(指引力场和电磁场)。” 
  1922年,爱因斯坦完成了第一篇关于统一场论的论文。1925年秋天,爱因斯坦发表了另一篇统一场论的重要论文《引力和电力的统一理论》。爱因斯坦认为他在这篇巨作中已经得到了真正的答案,但是事与愿违,爱因斯坦失望了。不过,这篇论文却埋藏着反物质理论基础的种子。1929年2月,爱因斯坦完成论文《统一场论》,这是对前一阶段研究成果的总结。1933年来到普林斯顿高等研究院
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