“出軌”衛(wèi)星改弦測試相對論

　　伽利略GPS 衛(wèi)星圖片來源：ESA/J.Huart

　　本報訊被意外發(fā)射到錯誤軌道上的兩顆人造衛(wèi)星將改變用途，以便對阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論的一項預(yù)言進(jìn)行迄今為止最為嚴(yán)格的測試。該預(yù)言認(rèn)為距離大質(zhì)量物體越近，鐘表的轉(zhuǎn)速就越慢。

　　由歐洲空間局（ESA）操控的這兩顆衛(wèi)星于去年被一枚俄羅斯聯(lián)盟號火箭錯誤地發(fā)射到一條橢圓形軌道上，而非之前設(shè)計的圓形軌道。這使得它們不再適合自身的預(yù)期用途，即作為被稱為“伽利略”的歐洲全球?qū)Ш较到y(tǒng)的一部分。

　　但是這兩顆伽利略衛(wèi)星都安裝有原子鐘。根據(jù)廣義相對論，時鐘的“嘀嗒”聲會隨著衛(wèi)星在其搖擺的軌道中向地球靠近而逐漸變慢，這是因為大質(zhì)量行星的引力會使時空結(jié)構(gòu)彎曲所致。而隨著衛(wèi)星離開地球遠(yuǎn)去，時鐘則會越轉(zhuǎn)越快。

　　11月9日，ESA宣布，德國柏林應(yīng)用空間技術(shù)與微重力中心（ZARM）和法國巴黎天文臺時空參照系統(tǒng)部門如今打算跟蹤這種時鐘的減速與加速。通過比較已知高度衛(wèi)星上的時鐘運(yùn)行速度，研究人員將能夠測試愛因斯坦廣義相對論的準(zhǔn)確性。

　　并未參與這項工作的加拿大溫尼伯市馬尼托巴大學(xué)物理學(xué)家Gerald Gwinner指出，發(fā)射太空實(shí)驗需要大量的時間和金錢，所以利用偏離航向的伽利略衛(wèi)星是“一個絕妙的主意”。“有時一個不幸的事故可以被轉(zhuǎn)化為一些有幫助并且有趣的東西。”Gwinner說，“這是一個‘當(dāng)生活給了你一個酸檸檬，那就做杯檸檬水吧’的典型案例。”

　　早在1976年，美國宇航局（NASA）便發(fā)射了裝載著原子鐘的重力探測器A，在1萬公里的高空與地面上的另一部原子鐘比較“嘀嗒”聲。然而這架探測器在太空中只停留了不到兩小時。相比之下，伽利略衛(wèi)星將進(jìn)行長達(dá)1年的試驗——每天兩次爬升并下降8500公里。

　　ESA表示，這項試驗使科學(xué)家第一次有機(jī)會改進(jìn)1976年的測量數(shù)據(jù)。該局衛(wèi)星導(dǎo)航高級顧問Javier Ventura-Traveset表示，這將是有史以來進(jìn)行的有關(guān)引力將如何影響時間流逝的最精確測量。

　　ESA預(yù)計最終的結(jié)果將比重力探測器A獲得的數(shù)據(jù)精確4倍，從而使得該局能夠以低于0.004%的精度檢驗理論是否與實(shí)際相符。

　　沒有人希望愛因斯坦在100年前提出的理論會被打破——它已經(jīng)通過了所有相關(guān)的測試。但Gwinner指出，盡管如此，最后的結(jié)果依然是迷人的。他說：“雖然我們不知道廣義相對論能否以及在哪里會被打破，但重要的是這將大大推進(jìn)人類的認(rèn)知極限，并最終找到偏差的線索。并且如果能以一種省錢的方式完成這一切，那就更好了。”

    ESA未來的一項試驗被稱為太空原子鐘（ACES），預(yù)計將于2017年在國際空間站上實(shí)施，并將把愛因斯坦理論推向更大的極限，預(yù)計使精度達(dá)到0.0002%。

　　Ventura-Traveset強(qiáng)調(diào)，在此期間，伽利略衛(wèi)星或許依然能夠在導(dǎo)航上發(fā)揮作用。自從這兩顆衛(wèi)星被發(fā)射以來，科學(xué)家采用了一系列手段調(diào)整其錯誤的軌道。他說，這可能使得它們在未來能夠參與伽利略系統(tǒng)同時進(jìn)行的相對論測試，但這還沒有最終確定。

　　廣義相對論是愛因斯坦于1915年發(fā)表的用幾何語言描述的引力理論，它代表了現(xiàn)代物理學(xué)中引力理論研究的最高水平。廣義相對論將經(jīng)典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用等效原理而建立。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率）；而這種時空曲率與處于時空中的物質(zhì)與輻射的能量—動量張量直接相聯(lián)系，其聯(lián)系方式即是愛因斯坦的引力場方程。（趙熙熙） 

伽利略