用两颗发射失败的卫星,检验广义相对论

更新日期:2019-03-13
环球科学ScientificAmerican

撰文 | 梅甘·甘农(Megan Gannon)

翻译 | 罗广桢

2014年8月,一枚火箭以“一箭双星”的方式将“伽利略”全球导航系统的第五颗和第六颗卫星送入太空,该系统由欧盟斥资110亿美元建造,对标美国GPS全球定位系统。但是发射成功的喜悦很快被失望代替:卫星在太空中错误的站点下了车,它们并未按计划进入高度稳定的圆周轨道,而是在无法发挥导航功能的椭圆轨道上无奈游荡。

然而,这次失败却为一项基础物理实验提供了宝贵的机会。两支独立的研究团队——一支由法国巴黎天文台的帕科姆·德尔瓦(Pacôme Delva)领导,另一支由德国不莱梅大学的斯文·赫尔曼(Sven Herrmann)带领——希望通过监测这两颗不走寻常路的卫星,寻找爱因斯坦广义相对论中可能存在的缺陷。

“广义相对论一直是对引力最的描述,迄今为止经受住了大量实验和观测的检验,”加拿大安大略省贵湖大学的物理学家艾瑞克·普瓦松(Eric Poisson,并未参与这项新研究)说。虽然如此,物理学家们一直没能将广义相对论与量子力学统一起来,后者在极小尺度上解释能量和物质的性质。“无法统一两种理论的现象,让我们怀疑爱因斯坦对引力的解释,”普瓦松解释说,“也许他的理论只是接近了,但并没有还原真相的全貌。”

爱因斯坦预言,在一个有质量的物体附近时间流逝的更慢一些,这意味着在地球表面的时钟相对绕轨运行的卫星上的时钟会走得更慢些。这种时间膨胀现象被称为引力红移。任何有别于该模式的细微偏差都有可能为物理学家建立统一引力与量子物理学的新理论提供线索。

即使在“伽利略”卫星被推进到更接近圆周轨道的位置后,它们与地球间距离的变化依然为每两天8500千米左右。在为期3年的研究中,德尔瓦和赫尔曼团队观察了引力变化如何影响卫星上搭载的高精度原子钟。

在1976年的引力红移实验中,当重力探测器(一枚搭载了原子钟的亚轨道火箭)被送入太空后,研究人员根据广义相对论预测原子钟的频移在140ppm以内。2018年12月刊登在《物理评论快报》上的这项新研究再次验证了爱因斯坦的预测——并将精度提高了5.6倍。直到今天,这个在百年前创立的理论依旧稳固如山。

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