爱因斯坦的预言得证实:时空漩涡的确存在
爱因斯坦的预言之时空扭曲理论:
由于重力的作用 ,(例如)地球这样大质量的物体在时空构成的框架结构中的存在本身,就会使时空框架发生扭曲。通俗地说,时空框架就像一个床垫,而地球就像放在床垫上的一个小钢球,钢球使床垫凹陷成一个“小酒窝”样子的坑。
爱因斯坦的预言时空扭曲现象最近被科学家们在中子星附近观测到。中子星是目前人类在宇宙中可以观察到的天体中密度最大的一种。来自美国密歇根大学和美国宇航局的天文学家声称,他们观测到了围绕中子星的铁原子气体呈现的模糊环线出现了扭曲现象,这一发现对解释某些物理学基本问题意义重大。
爱因斯坦的预言示意图,展示一个黑洞周围存在高度扭曲的时空
这是此间在美国宇航局总部举行的一场新闻发布会上公布的消息,探测的结果来自对该局实施的引力探测卫星B(GP-B)计划的数据分析结果。
根据爱因斯坦的相对论,空间和时间是交织在一起的,形成一种被他称为“时空”的四维结构。地球的质量会在这种结构上产生“凹陷”,这很像是一个成年人站在蹦床上陷进去的情形。爱因斯坦指出,引力的本质仅仅只是物体围绕这种时空凹陷的曲线边缘运动的外在表现。
实验的原理
这一实验项目背后的科学原理非常简单:科学家们将一个陀螺仪送上地球轨道,使它的一个旋转轴指向一颗遥远的恒星作为参考点。在没有任何外力作用的情况下,这一旋转轴应当永远指向这一颗恒星。但如果空间是扭曲的,那么陀螺仪的指向会随着时间推移发生改变。通过对这种改变的精密检测,科学家们能了解时空弯曲的相关信息。
这说起来似乎很简单,但真正做起来却非常艰难。
首先,制造引力探测器B中4个高精度陀螺仪需要用到精度极高的球体。事实上,这些陀螺仪内部的转子是人类迄今制造过的最完美球体。它们的大小约相当于一个乒乓球,由熔凝石英和硅材料制成,其相对完美球体的误差在任何方向都不超过40个原子的厚度。这样高的精度是必须的,因为如果不是这样做,那么这些陀螺仪转轴的晃动将出现误差。
举几个例子,工程师们开发了一种“无拖曳”卫星技术,它可以让卫星擦过地球最外层大气却不会造成对其内部陀螺仪的扰动。他们还开发出独特的技术来防止地球磁场穿透探测器从而影响其测试精度。最后,他们还设计出一种技术来测量陀螺仪的旋转角度,但整个过程中不会触碰到陀螺仪从而对其造成影响。
即便克服了制造和设计上的技术困难,进行这项精度空前的实验本身同样是一个巨大的挑战,但经过一年的数据收集和将近5年的数据分析,GP-B项目的科学家们认为他们已经几乎接近完成这项工作。
艾福瑞特说:“我们测量到测地线效应值为+6.600或-0.017,惯性系拖曳效应值为+0.039或-0.007。”
威尔说:“根据我领导的委员会对此的看法,这项工作简直具有英雄气概。我们都被惊呆了!”
引力探测卫星-B的测量结果具有革命性意义,因为它让物理学家们更有信心,爱因斯坦的理论看上去实在非常古怪,让人难以接受,但事实反复证明它确实是正确的,并且可能是一个普遍的理论。地球附近空间存在的时空漩涡在其它大质量天体附近也一样存在,如中子星,黑洞和活动星系核等,只不过那里的时空漩涡更加剧烈,规模更加大而已。
威尔说:“如果你想在一个黑洞周围高度扭曲的时空中完陀螺,它不会出现那么轻柔的偏转,它会剧烈晃动,甚至整个倒过来。”
艾福瑞特说:“由于这项实验主要以大学为主导进行,很多学生直接参与到了研究工作当中。斯坦福大学有超过86位博士生参与了研究工作,还有14位来自其他大学的学生获准加入了科学团队。除此之外,数百名本科生和55名高中生也参与了项目的辅助工作。宇航员萨利·赖德(Sally Ride)和诺贝尔奖获得者,著名物理学家埃里克·康奈尔(Eric Cornell)也加入了这项实验工作。”
未来的路
那么接下来呢?
艾福瑞特想起了他的论文导师,诺贝尔奖获得者,著名实验物理学家帕特里克·布莱克特(Patrick M.S. Blackett)给他提出的建议:“如果你在物理学研究上不知道下一步该做什么,那么就试着开发一些新技术,它们会带你找到新的方向。”
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