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“引力探測器B”飛船具有什麽特點?

自從愛因斯坦發表相對論以來,科學家們已經多次觀測到光束和無線電波在經過太陽附近時出現微弱偏折現象,證實了相對論所預言的引力彎曲效應。不過,相對論預言的另外兩種效應,迄今尚沒有得到直接測量的證實。

愛因斯坦認為,地球的巨大質量會使地球周圍原本平直的時空結構出現“凹陷”,引力其實就是物體沿著時空中的這種“凹陷”部位的曲線運動。此外,由於地球的自轉,將會帶動周圍時空結構中的這種“凹陷”壹起運動,從而能將這種“凹陷”結構輕微扭曲成四維“旋渦”結構。這兩種現象分別稱為測地效應和慣性系拖曳效應。

這兩種效應在地球表面過於微弱,在1年內造成的扭曲結果僅為十萬分之壹度,相當於人們從400m外看壹根頭發絲那麽細的物體。由於受測量技術所限,數十年來科學家們壹直難有進展。

既然在地面上難以觀測,能不能把實驗移到太空中呢?1959年,三位美國科學家首次提出利用人造衛星探測引力效應的想法,其基本原理是:把壹個旋轉的陀螺儀放在地球的軌道上,將陀螺儀的自轉軸對準壹顆遙遠的恒星作為固定的參考點,如果空間是扭曲的,陀螺儀的軸向就會隨著時間輕微地改變。只需精確記錄下陀螺儀的軸向相對於參考恒星的改變量,就能測量出時空的扭曲程度。

差不多經過了半個世紀,直到2004年4月,用於檢驗這兩種時空效應的“引力探測器B”飛船終於發射升空。該飛船長6.4m,質量3.1噸,最主要的儀器是非常靈敏的超高精度回轉陀螺儀。其中的4個由石英制成的陀螺旋轉球經過精心打造,表面光滑無比,偏圓誤差不超過數個原子的大小,被稱作迄今人類制造出的最完美和最滾圓的球體。

為了提供壹個近乎理想的時空參照系,這些陀螺儀必須處在最安靜的環境下,絲毫不受任何外力的影響。旋轉球以電場力方式懸浮在陀螺儀的中心位置,在真空狀態下,以每分鐘1萬轉的速度在壹個對準了參考恒星的望遠鏡內旋轉。望遠鏡外部包裹著超導鉛袋,使其不受外界磁場影響。這些儀器被置於液氦冷卻的絕熱真空容器中,處於接近絕對零度的環境下,外面還有4層鉛保護層,隔絕任何外界幹擾。

如果愛因斯坦的預言是正確的,由地球導致的時空彎曲會使這些陀螺儀小球的旋轉產生不平衡,逐漸脫離準線,並使陀螺儀沿著與地球自轉軸相垂直的方向旋轉。雖然這些變化很微細,但可以被飛船內的超導量子幹涉儀感知。目前,該飛船已完成數據收集任務,科學家正在對這些數據進行分析。

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