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  距地球表面約640公里的極地軌道上,美國宇航局(NASA)的「引力探測B」衛星正在正常運轉。太陽能電池板在發電,所有的設備都得到電力供應。衛星與地面站和中繼衛星之間的通信狀況良好。如果一切順利,它將收集到一批科學家期待了近90年、籌劃了約半個世紀的數據,以檢驗廣義相對論所預言的某種時空扭曲是否真的存在。


  這項耗資7億美元的探測任務,是將以事實給愛因斯坦的理論再添一塊基石,還是將動搖它、並從根本上改變我們對宇宙及其演化史的認識?要回答這個問題,我們最好期待,那個異常精密的大傢伙,能夠按計劃運行16個月不出半點差錯。


  微妙的扭曲


  要一定程度地理解相對論--專業搞物理的人即使懂得很多,也不大說「真正理解」,只有江湖科學家最敢一眼看透相對論並且推翻它--必須學習許多物理和數學。我輩非專業人士就只能通過比喻和想象來捉摸了。1915年,愛因斯坦把空間與時間結合成為一個數學對象,這個稱為「時空」的東西具有與橡皮膜類似的性質:會變形。一個球(例如太陽)放在上面,會把膜壓塌下去產生一個坑。經過太陽附近的物體,會掉到坑裡。這就是經常在科普和科幻作品里出現的「彎曲空間」。當然,我們平時把這種現象稱為,物體受到了太陽的引力作用。


  想象圖:GP-B在工作中


  根據我們的日常經驗,光線所走的路是最直、最短的。不過,即使是沒有質量的光,在彎曲空間中行進時,路徑也會彎曲起來--但是,這條路仍然是這個彎曲空間里的最短路徑,稱為「測地線」。光線經過一個大質量天體附近時,受其引力作用(或者說進入了該天體附近的彎曲空間),路線會發生偏轉,稱為「測地線效應」,偏轉程度可以根據光速和天體質量計算出來。愛因斯坦當年計算出,光線在太陽附近的偏轉角度是1.7秒。1919年,英國天文學家愛丁頓(傳說中曾自誇是除愛因斯坦外唯一懂得相對論的人) 在日全食發生之際,率領觀測隊證實星光在經過太陽附近時的確發生了預期中的偏轉。廣義相對論得到了實驗證據支持,這是科學史上的一個重要轉折點。


  對相對論的另一次著名檢驗發生在1976年6月18日。NASA的「引力探測A」衛星發射升空,進入1萬公里高的軌道,攜帶著一台超精密的原子鐘在大西洋上空飛行了116分鐘。與此同時,另一台一模一樣、經過校準的原子鐘在地面上運行著。如相對論預測的那樣,衛星攜帶的原子鐘由於處於較弱引力場中,運行速率與地面的原子鐘存在差異。也就是說,引力影響了時間的快慢,這就是引力紅移效應。


  廣義相對論預言,還存在另一種更加微弱的時空扭曲,這是奧地利物理學家Joseph Lense 和Hans Thirring於1918年提出來的。他們說,一個旋轉的物體特別是大質量物質,除了「測地線效應」導致的空間彎曲之外,還會因為旋轉而產生另一種稱為「慣性系拖曳」的空間扭曲效應,其情形有如勺子在糖漿里攪動形成旋渦。這個效應比「測地線效應」還要微弱得多,因此在提出之後80多年時間裡,它一直處於人力所能達到的觀測精度之外,得不到檢驗。20世紀90年代晚期,一些X射線天文學家認為,他們間接觀測到了這個效應。在擁有巨大質量中子星或黑洞周圍,有著旋轉的氣體塵埃盤,它們發出強烈的X射線流。如果旋轉的中子星或黑洞扭曲了周圍的時空,就會使塵埃盤抖動,導致X射線流出現變化。科學家說,他們觀測到了這樣的變化。然而,一些與「慣性系拖曳」效應無關的理論似乎也能解釋這些變化,因此這並不算一個確鑿的證據。


  「引力探測B」的任務,就是以前所未有的精度觀測「測地線效應」,然後把它的影響扣除掉,從剩餘的數據里直接尋找「慣性系拖曳」效應的跡象。


  精密,更加精密


  「引力探測B」的核心部件是4個陀螺儀。這種又稱為迴轉儀的元件,通常用來給飛行器定位、使之保持穩定。例如國際空間站裝有4個陀螺儀,現在已經壞掉了2個,宇航員們打算在近期內進行太空行走,對它們進行修理。


  理論上說來,「引力探測B」要做的事很簡單:陀螺儀固定在望遠鏡上,在飛行過程中,望遠鏡始終朝向某顆恆星,陀螺儀的自轉軸與望遠鏡到恆星之間的直線重合。地球自轉時,在周圍形成時空旋渦,陀螺儀的自轉軸也會發生一點偏轉。仔細測定偏轉的程度,扣除地球質量本身導致空間彎曲的影響,就能觀察時空旋渦是否存在。


  把鈴鐺掛上貓脖子聽上去容易,實際操作卻存在巨大的技術困難,「引力探測B」也是如此。它的問題在於,「慣性系拖曳」效應實在太微弱了。計算顯示,地球的這一效應,將使這些陀螺儀的自轉軸發生千分之41弧秒的偏轉。這個角度大概相當於從華盛頓觀看一個放在洛杉磯的硬幣產生的張角。一點微小的誤差就可以把實驗毀掉,必須竭盡所能地做到精密。


  陀螺儀,右邊的圓球就是石英制的轉子,近乎完美的球體


  「引力探測B」的4個陀螺儀是世界上最精密的陀螺儀。它們的主要部件由石英製成,石英是一種非常穩定的礦物,基本不受溫度變化的影響。每個陀螺儀的轉子是一個乒乓球大小的石英球,表面塗著一層極薄的金屬鈮,它們能以每分鐘1萬轉的速度旋轉。這些石英球是人類迄今製造過的最接近完美球體的東西。如果把一個石英球放大到地球那麼大,那麼它表面上最高山峰頂點與最深海溝底部之間的高度差還不足5米。


  陀螺儀用一個長2.74米、形狀像香煙的結構封裝。在這個結構裡面,是比外層空間還要「空」十倍、接近絕對真空的真空。再外層,是一個裝有2441升液氦的罐子。這些液氦的溫度只比絕對零度高出1.8度,用於冷卻陀螺儀、避免熱量影響實驗結果。如此的低溫足以使石英球表面的金屬鈮進入超導狀態,而石英球的自轉軸方向,就由這個超導體的磁場決定。


  裝液氦的罐子


  除了核心的轉子,其它部件也要盡一切可能消除任何電子或機械缺陷的影響。另外,人們還要觀察用於定位指向的恆星--飛馬星座中的一對雙星--的運動,將這個因素考慮進去,保證不因為恆星位置的微小漂移而導致定向失誤、前功盡棄。至於衛星本身的運行軌道,也是幾乎完美的圓形。


  半個世紀的期待


  「引力探測B」衛星由斯坦福大學設計,洛克希德-馬丁公司承製,重3.1噸,長6.43米,直徑2.64米。如果拆掉太陽能電池板,它看起來頗有點像一台水泥攪拌機。這個龐大、沉重又異常精密的東西,自然也是異常昂貴的。它是NASA最早決定上馬的項目之一,但龐大的標價簽好幾次使它差點完蛋。尤其是因為,它所要檢驗的是一個幾乎無人懷疑的理論。儘管負責項目的科學家非常高姿態地表示,他們對於一切結果都保持「開放的頭腦,但實話說,廣義相對論真的被這個實驗「推翻」的可能性很小。


  「引力探測B」的歷史可以追溯到將近半個世紀以前。有關方案於1959年首次被提出,1963年得到NASA的第一筆資助。但當時的技術條件不足以實施這項計劃。在這期間,NASA於1976年執行了「引力探測A」計劃,證實了引力紅移效應。但在這個實驗成功的第二年,NASA的撥款到期,「引力探測B」項目停滯了。


  1980年代初該項目重新上馬。科學家原打算用太空梭將衛星送入軌道,但1986年挑戰者號的爆炸使這個計劃被取消,德爾塔II型火箭成為「引力探測-B」新的運載工具。在接下來的歲月中,項目的進度比想象的更緩慢。它曾經數次面臨被國會終止的危險,但是每一次科學家都成功的說服了議員們把這個項目保留下來。


  最後一次「生死抉擇」發生在2003年。當衛星組裝完畢、進行熱真空實驗之後,它出現了一些故障。NASA險些要終止掉這個漫長的項目,但是考慮到熱真空實驗出現的問題只是一些次要的技術問題,最終還是讓它活了下來。2004年4月20日,「引力探測-B」終於在加利福尼亞州范登堡空軍基地升空。


  火箭升空


  並非每個參與的科學家都有幸看到它飛向太空。計劃的發起者Leonard Schiff已於1971年逝世。目前主要負責的科學家之一、斯坦福大學教授Francis Everitt於1960年離開他的故鄉英國,準備到美國待上「兩三年」,結果在1962年加入了這個計劃,40年過去了他還在這裡。這個跨世紀計劃培養了94名博士,15名工程碩士,還提供了超過300個研究機會。


  所有這些努力都是為了一個目的:檢驗廣義相對論預言的現象。該計劃的科學主管Sasha Buchman說,實驗的結果並非簡單的給廣義相對論畫一個對號或者錯號,而是幫助科學家發現那些被愛因斯坦的理論所預言的更微弱的效應是否能被探測到。「它會幫助我們更好地理解相對論。」


  陀螺儀,背景是愛因斯坦像


  如果幸運的話,18個月之後我們就可以看到結果。假如觀測順利完成而結果與廣義相對論不符,科學家們會異常興奮。當然,包括NASA天文和物理分部負責人Anne Kinney在內的多數科學家都認為,結果很可能與教科書是一樣的。
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