捕捉時(shí)空旋渦

距地球表面約640千米的極地軌道上，NASA的“引力探測(cè)B”衛(wèi)星正在正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如果一切順利，它將收集到一批科學(xué)家期待了近90年、籌劃了約半個(gè)世紀(jì)的數(shù)據(jù)，以檢驗(yàn)廣義相對(duì)論所預(yù)言的某種時(shí)空扭曲是否真的存在。

這項(xiàng)耗資7億美元的探測(cè)任務(wù)，是將用事實(shí)給愛因斯坦的理論再添一塊基石!還是將動(dòng)搖它、并從根本上改變我們對(duì)宇宙及其演化史的認(rèn)識(shí)?

微妙的扭曲

要一定程度理解相對(duì)論——專業(yè)搞物理的人即使懂得很多，也不能說“真正理解”，我輩非專業(yè)人士就只能通過比喻和想象來理解了。1915年，愛因斯坦把空間與時(shí)間結(jié)合成為一個(gè)數(shù)學(xué)對(duì)象，這個(gè)稱為時(shí)空的東西具有與橡皮膜類似的性質(zhì)：會(huì)變形。一個(gè)球(例如太陽)放在上面，會(huì)把膜壓下去產(chǎn)生一個(gè)坑。經(jīng)過太陽附近的物體，會(huì)掉到坑里。當(dāng)然，我們平時(shí)把這種現(xiàn)象稱為物體受到了太陽的引力作用。

根據(jù)我們的日常經(jīng)驗(yàn)，光線所走的路是最直、最短的。不過，即使是沒有質(zhì)量的光，在彎曲空間中行進(jìn)時(shí)，路徑也會(huì)彎曲起來，但是這條路仍然是這個(gè)彎曲空間里的最短路徑，稱為“測(cè)地線”。光線經(jīng)過一個(gè)大質(zhì)量天體附近時(shí)，受其引力作用路線會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，稱為“測(cè)地線效應(yīng)”，偏轉(zhuǎn)程度可以根據(jù)光速和天體質(zhì)量計(jì)算出來。愛因斯坦當(dāng)年計(jì)算出，光線在太陽附近的偏轉(zhuǎn)角度是1.7′。1919年，英國天文學(xué)家愛丁頓(傳說中曾自詡是除愛因斯坦外唯一懂得相對(duì)論的人)在日全食發(fā)生之際，率領(lǐng)觀測(cè)隊(duì)證實(shí)星光在經(jīng)過太陽附近時(shí)的確發(fā)生了預(yù)期中的偏轉(zhuǎn)。廣義相對(duì)論得到了實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持，這是科學(xué)史上的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

對(duì)相對(duì)論的另一次著名檢驗(yàn)是在1976年6月18日。NASA的“引力探測(cè)A”衛(wèi)星發(fā)射升空，進(jìn)入1萬千米高的軌道，攜帶著一臺(tái)超精密的原子鐘在大西洋上空飛行了116分鐘。與此同時(shí)，另一臺(tái)一模一樣、經(jīng)過校準(zhǔn)的原子鐘在地面上運(yùn)行著。如相對(duì)論預(yù)測(cè)的那樣，衛(wèi)星攜帶的原子鐘的運(yùn)行速率與地面的原子鐘存在差異。也就是說，引力影響了時(shí)間的快慢，這就是引力紅移效應(yīng)。

廣義相對(duì)論預(yù)言，還存在另一種更加微弱的時(shí)空扭曲，這是奧地利物理學(xué)家約瑟夫·蘭斯和漢斯·蒂林于1918年提出來的。他們說，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的物體特別是大質(zhì)量物質(zhì)，除了“測(cè)地線效應(yīng)”導(dǎo)致的空間彎曲之外，還會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)而產(chǎn)生另一種被稱為“慣性系拖曳”的空間扭曲效應(yīng)，其情形如勺子在糖漿里攪動(dòng)形成旋渦。這個(gè)效應(yīng)比“測(cè)地線效應(yīng)”還要微弱得多，因此在提出之后80余年時(shí)間里，一直得不到檢驗(yàn)。20世紀(jì)90年代晚期，一些X射線天文學(xué)家認(rèn)為，他們間接觀測(cè)到了這個(gè)效應(yīng)。在擁有巨大質(zhì)量的中子星或黑洞周圍，有著旋轉(zhuǎn)的氣體塵埃盤，它們發(fā)出強(qiáng)烈的X射線流。如果旋轉(zhuǎn)的中子星或黑洞扭曲了周圍的時(shí)空，就會(huì)使塵埃盤抖動(dòng)，導(dǎo)致X射線流出現(xiàn)變化?？茖W(xué)家說，他們觀測(cè)到了這樣的變化。但是，一些與“慣性系拖曳”效應(yīng)無關(guān)的理論似乎也能解釋這種變化，因此這并不算一個(gè)確鑿的證據(jù)。

“引力探測(cè)B”的任務(wù)，就是以前所未有的精度觀測(cè)“測(cè)地線效應(yīng)”，然后把它的影響扣除掉，從剩余的數(shù)據(jù)里直接尋找“慣性系拖曳”效應(yīng)的跡象。

精密，更加精密

“引力探測(cè)B”的核心部件是4個(gè)陀螺儀。這種又稱為回轉(zhuǎn)儀的元件，通常用來給飛行器定位、使之保持穩(wěn)定。理論上來說，“引力探測(cè)B”要做的事很簡單：把陀螺儀固定在望遠(yuǎn)鏡上，在飛行過程中，望遠(yuǎn)鏡始終朝向某顆恒星，使陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸與望遠(yuǎn)鏡到恒星之間的直線重合。地球自轉(zhuǎn)時(shí)，在周圍形成時(shí)空旋渦，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸也會(huì)發(fā)生一點(diǎn)偏轉(zhuǎn)。仔細(xì)測(cè)定偏轉(zhuǎn)的程度，扣除地球質(zhì)量本身導(dǎo)致空間彎曲的影響，就能觀察時(shí)空旋渦是否存在。

就像把鈴鐺掛上貓脖子聽上去容易，實(shí)際操作卻存在巨大的技術(shù)困難一樣，“引力探測(cè)B”也是如此。它的問題在于，“慣性系拖曳”效應(yīng)實(shí)在太微弱了。計(jì)算顯示，地球的這一效應(yīng)，將使這些陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸發(fā)生41％o角秒的偏轉(zhuǎn)。這個(gè)角度大概相當(dāng)于從華盛頓觀看一個(gè)放在洛杉磯的硬幣產(chǎn)生的張角。

“引力探測(cè)B”的4個(gè)陀螺儀是世界上最精密的陀螺儀，它們的主要部件由石英制成。這是一種非常穩(wěn)定的礦物，基本不受溫度變化的影響。每個(gè)陀螺儀的轉(zhuǎn)子是一個(gè)乒乓球大小的石英球，表面涂著一層極薄的金屬鈮，它們能以每分鐘1萬轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。這些石英球是人類迄今制造的最接近完美球體的東西。即使把它放大到地球那么大，它表面上最高山峰的頂點(diǎn)與最深海溝的底部間的高度差還不足5米。

陀螺儀用一個(gè)長2.74米、形狀像香煙的結(jié)構(gòu)封裝。在這個(gè)結(jié)構(gòu)里面，是比外層空間還要空十倍、接近絕對(duì)真空的狀態(tài)。再外層，是一個(gè)裝有2441升液氦的罐子。這些液氦的溫度只比絕對(duì)零度高出1.8℃，用于冷卻陀螺儀、避免熱量影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如此的低溫足以使石英球表面的金屬鈮進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，而石英球的自轉(zhuǎn)軸方向，就由這個(gè)超導(dǎo)體的磁場(chǎng)決定。

除了核心的轉(zhuǎn)子，其他部件也要盡一切可能消除任何電子或機(jī)械缺陷的影響。另外，人們還要觀察用于定位指向的恒星——飛馬星座中的一對(duì)雙星的運(yùn)動(dòng)，將這個(gè)因素考慮進(jìn)去，保證不因?yàn)楹阈俏恢玫奈⑿★h移而導(dǎo)致定向失誤、前功盡棄。至于衛(wèi)星本身的運(yùn)行軌道，也是幾乎完美的圓形。

“引力探測(cè)B”衛(wèi)星由斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)，洛克希德一馬丁公司承制，重3100千克，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(diǎn)像水泥攪拌機(jī)。這個(gè)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(xiàng)目之一，但高昂的標(biāo)價(jià)差點(diǎn)使項(xiàng)目完蛋。尤其是因?yàn)樗獧z驗(yàn)的是一個(gè)幾乎無人懷疑的理論。盡管負(fù)責(zé)項(xiàng)目的科學(xué)家非常高姿態(tài)地表示，他們對(duì)于一切結(jié)果都保持“開放的頭腦”，但實(shí)話說，廣義相對(duì)論真的被這個(gè)實(shí)驗(yàn)推翻的可能性很小。

“引力探測(cè)B”的歷史可以追溯到將近半個(gè)世紀(jì)以前。有關(guān)方案于1959年首次被提出，1963年得到NASA的第一筆資助。但當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件不足以實(shí)施這項(xiàng)計(jì)劃。在這期間，NASA于1976年執(zhí)行了“引力探測(cè)A”計(jì)劃，證實(shí)了引力紅移效應(yīng)。但在這個(gè)實(shí)驗(yàn)成功的第二年，NASA的撥款到期，“引力探測(cè)B”項(xiàng)目停滯了。

20世紀(jì)80年代初該項(xiàng)目重新上馬?？茖W(xué)家原打算用航天飛機(jī)將衛(wèi)星送入軌道，但1986年“挑戰(zhàn)者”號(hào)的爆炸使這個(gè)計(jì)劃被取消，“德爾塔2”型火箭成為“引力探測(cè)B”新的運(yùn)載工具。在接下來的歲月中，項(xiàng)目的進(jìn)度比想象的更緩慢。它曾經(jīng)數(shù)次面臨被國會(huì)終止的危險(xiǎn)，但是每一次科學(xué)家都成功地說服了議員們把這個(gè)項(xiàng)目保留下來。

最后一次生死抉擇發(fā)生在2003年。當(dāng)衛(wèi)星組裝完畢、進(jìn)行熱真空實(shí)驗(yàn)之后，它出現(xiàn)了一些故障。NASA險(xiǎn)些要終止這個(gè)漫長的項(xiàng)目，但是考慮到熱真空實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問題只是一些次要的技術(shù)問題，最終還是讓它活了下來。2004年4月20日，“引力探測(cè)B，'終于在加利福尼亞州范登堡空軍基地升空。

火箭升空

并非每個(gè)參與的科學(xué)家都有幸看到它飛向太空。計(jì)劃的發(fā)起者萊昂納德·希夫教授已于1971年逝世。目前主要負(fù)責(zé)的科學(xué)家之一、斯坦福大學(xué)教授弗朗西斯·艾維特于1960年離開他的故鄉(xiāng)英國，準(zhǔn)備到美國待上兩三年，結(jié)果在1962年加入了這個(gè)計(jì)劃，40年過去了，他還在這里。這個(gè)跨世紀(jì)計(jì)劃培養(yǎng)了94名博士、15名工程碩士，還提供了超過300個(gè)研究崗位。

所有這些努力都是為了一個(gè)目的：檢驗(yàn)廣義相對(duì)論預(yù)言的真假。該計(jì)劃的科學(xué)主管布奇曼說，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并非簡單地給廣義相對(duì)論畫一個(gè)對(duì)號(hào)或者錯(cuò)號(hào)，而是幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)那些被愛因斯坦的理論所預(yù)言的更微弱的效應(yīng)是否能被探測(cè)到?！八鼤?huì)幫助我們更好地理解相對(duì)論?！?/p>