探寻扭曲的时空：图解美国引力探测仪B项目

  45年梦想终成线分，一枚波音公司生产的三角洲2型火箭从加利福尼亚州范登堡空军基地腾空而起，直插云霄（图1）。此枚火箭的任务是将引力探测器B（图2）送入预定的太空轨道。引力探测仪B由美国国家航空航天局（NASA）和斯坦福大学联合研制，耗时45年，耗资7亿美元。探测仪的目的是要验证爱因斯坦提出的广义相对论中关于引力导致时空扭曲的理论。此次成功发射意味着美国45年验证爱因斯坦广义相对论的梦想终于成真。

  阿尔伯特?爱因斯坦是一位出生于德国的美籍物理学家。20世纪初的15年中，他提出一系列的科学理论，对空间、时间和引力都赋予了完整的新概念；推算出能量方程。他在生前就被公认为人类历史中最富有创造性才华的人物之一。

  爱因斯坦的相对论（详情见相关链接）现在普遍为人们所接受，并在医学扫描仪和全球定位系统等方面得以应用。爱因斯坦广义相对论中的许多原则已得到了证实，如大质量物体（包括行星、恒星或黑洞）能够导致时空弯曲（图3）。时空弯曲类似将篮球放在四角拽紧的床单中央的情景，人类能看到床单会围绕篮球发生弯曲。但是，爱因斯坦提出的旋转的大质量物体能像龙卷风那样让其周围时空发生扭曲的扭曲效应（或称惯性系拖曳效应）（图4，5）却没有被证实。

  引力探测仪B抵达预定工作位置后，将需要2个月的时间进行准备，然后开始长达16个月的测量。如果爱因斯坦是正确的话，在每个轨道上引力探测仪B皆会探测到少量时间和空间的丢失现象，这种时空丢失现象对在轨道上的宇航员来说是难以看见的，但人类能通过科学手段测量到。虽然对于像地球这样大小的物体来讲，测量扭曲效应很难，但是在像黑洞那样巨大的物体周围扭曲效应将会极其显著。科学家希望探测仪不仅能验证爱因斯坦理论，而且获得校准扭曲效应的精确数字。

  引力探测仪B是NASA执行的纯研究项目之一。它的使命是经过测量地球引起的时空弯曲和地球旋转引起的时空扭曲以验证爱因斯坦广义相对论。

  引力探测仪B重达3.5吨，未展开时外形为完整的杜瓦瓶（或称线），实验的设备均安放在瓶中（剖面图7）。测量广义相对论的实验借助了三要素，它们分别是旋转的球体、望远镜和恒星。

  实验的核心是4个陀螺仪，陀螺仪的中心是形同珠宝、大小如乒乓球镀铌石英球（图8）。球体靠电力支持进行非常快速地旋转，转速为每分钟1万转。球体大小如同乒乓球，它们是人类制造的最圆的球体。他们分别镶嵌在小舱室中，以免受到声波的影响。同时它们被冷却至几近绝对温度零度，防止它们的分子结构受到干扰。科学家表示它们是世界上最精确的陀螺仪，其中的原因有二。首先，这4个球体是至今人造的最完美（最圆）的球体。其次，在太空中，它们将比在地面更加精准。

  望远镜中有个3维尺寸不超过25美分硬币的探测器DMA（图9），它精确地测量出进入望远镜的星光量。其它设备包括探测器（图10）、石英壳（图11）等。

  研究人员表示，众多技术上的突破将保障实验的顺利进行。凭借高新技术，NASA引力探测仪B项目将帮助科学家更好地了解宇宙的基本结构，以及更清晰地认识我们的物质世界和相对论间的关系。

  广义相对论的建立1915年11月，爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，在这四篇论文中，他提出了新的看法，证明了水星近日点的进动，并给出了正确的引力场方程。至此，广义相对论的基本问题都解决了，广义相对论诞生了。

  1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，在这篇文章中，爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪一种方式运动着的参照系都成立。爱因斯坦的广义相对论认为，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场其实就是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。

  广义相对论的第二大预言是引力红移，即在强引力场中光谱向红端移动，上世纪20年代，天文学家在天文观测中证实了这一点。

  广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转。最靠近地球的大引力场是太阳引力场，爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。

  1919年，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告，确认广义相对论的结论是正确的。会上，著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说：“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”，“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。（毛黎）爱因斯坦相对论的意义狭义相对论和广义相对论建立以来，已逝去了很久，它经受住了实践和历史的考验，是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思相的发展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学仅仅是物体在低速运动下很好的近似规律。

  广义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，并提示了质量与能量相当，给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显，但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件，而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。广义相对论建立了完善的引力理论，而引力理论主要涉及的是天体。到现在，相对论宇宙学逐步发展，而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展，吸引了许多科学家进行研究。一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一。”

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