重力探測器B——通過藝術將愛因斯坦的理論引入生活

2020-10-21 蔚知空間

藝術家最基本的特徵之一是能夠彌合想像和插圖之間的鴻溝，甚至能將最深奧和形上學的概念引入生活。科學家和工程師對這一過程的理解非常透徹，他們努力使新的理論、實驗和技術得以存在。

這一過程的顯著例子是藝術家巴倫·斯託裡(Barron Storey)在20世紀80年代末試圖將史丹福大學重力探測器B團隊的想法公之於眾。

重力探測器B是什麼？

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

重力探測器B於2004年4月20日在加利福尼亞州的范登堡空軍基地由德爾塔Ⅱ7920發射升空，是史丹福大學和美國宇航局(NASA)的合作項目，旨在通過測量4個陀螺儀轉向地球旋轉方向的微小變化驗證愛因斯坦廣義相對論的兩個重要預測，即時間和空間不僅會因地球等大質量物體的存在而彎曲，大質量物體的旋轉還會拖動周圍時空結構發生扭曲，這兩項預測分別被稱為「惻地效應」和「結構拖曳」。

2004年8月24日，重力探測器開始科學運行並持續50個星期。飛行器傳回多於1000吉字節的數據。因為液體氦耗盡，數據收集工作在2005年9月29日結束。

愛因斯坦與廣義相對論

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

愛因斯坦的廣義相對論深深植根於19世紀和20世紀早期的理論和實驗的大框架中。他自己1905年的狹義相對論確立了光速作為信號傳播的上限，並打破了牛頓的絕對空間和絕對時間的概念。

理論和實驗背景

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

重力探測器B本質上是NASA執行的一項藉助陀螺儀的相對論性實驗。這項實驗的主要研究人員是史丹福大學的物理學家，並主要由洛克希德·馬丁公司承包完成。之所以命名為引力探測器B，是因為它被看作是第二個在太空中進行的引力實驗，這是相對於1976年發射的引力探測器A而言的。

這項任務包括對地球引力場中的兩種廣義相對論效應進行測量：參考系拖拽和測地線效應。這兩種效應在此之前還未曾被精確測量過，至少從沒有達到過這次引力探測器B所預計將達到的精確量級。

奧納德·希夫與重力探測器B的誕生

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

重力探測器B的概念最初來源於麻省理工學院教授喬治·普克（George Pugh），他當時（1959年）在美國國防部工作；其後（1960年）在普克的建議下，史丹福大學當時的物理系主任列奧納德·希夫（Leonard Schiff）對這一概念進行了討論。1961年這一建議被提送到NASA，1964年NASA批准了這個提議的研究資金。

四個陀螺儀

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

重力探測器B的主要裝備是4個超高精度的陀螺儀，穩定性是最好的導航陀螺儀的一百萬倍。當重力探測器B在距離地球約640km的極地軌道上運轉時，4個陀螺儀自轉軸同時對準遙遠恆星——IM Pegasi。觀測結果是，由於受地球引力拖曳，陀螺儀自轉軸方向發生了可測量的細微偏移，從而證實了愛因斯坦的理論。

超導性與SQUIDs

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

讀取一個完美圓形物體的自旋方向，給史丹福大學的實驗人員帶來了一個複雜而關鍵的問題。要解決這個問題，就需要開發一種方法來觀察或「讀出」陀螺儀的旋轉方向與時空的曲率和旋轉的關係。

望遠鏡和石英塊

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

隨著陀螺儀將它們的自旋方向傳送給超導量子幹涉儀(SQUIDs)，科學家仍然需要一些東西作為陀螺儀自旋方向的參考點。解決方案是一個14英寸長的熔融石英望遠鏡，其5.6英寸的孔徑與導星IM Pegasi的相對照。

杜瓦瓶和液態氦

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

將實驗有效載荷保持在1.8開爾文附近的任務落在一種稱為杜瓦瓶的真空夾套裝置上。之所以要求接近絕對零度的環境是使分子間運動產生的擾動最小化的要求，同時能使構成陀螺儀組件的鉛和鈮具有超導電性。

太空飛行器和軌道

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

完全集成的重力探測器B全長5米，直徑1.6米，是飛行器與實驗完全同步的傑出例子。軌道為640公裡×646公裡(390英裡×401英裡)，傾角90°。

關鍵技術和衍生產品

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

為了將Schiff的想法變成現實，重力探測器B團隊需要發明和驗證物理學和工程學方面的幾項新技術。一個例子就是多孔塞——一種設計用來控制超流氦在進入軌道後從杜瓦瓶的出口逸出的裝置。

準備發射

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

早期幾十年的發展見證了在概念開發、技術設計和原型生產領域的大部分工作。然而，隨著重力探測器B在20世紀80年代中期進入NASA的飛行計劃，管理人員採納了「增量原型」的概念。這種方法要求快速開發和測試硬體。

團隊成員

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

重力探測器B最重要的方面是一個過程長期的首席研究員，弗朗西斯·伊夫利特(Francis Everitt)博士被稱作跨學科的發明者。NASA曾經出於考慮三度取消了這一計劃，分別是在1989年、1993年和1995年。然而它之所以能夠延續至今，很大程度上要歸功於史丹福大學的物理學家弗朗西斯·伊夫利特在其中所作的政治斡旋。

結果和影響

圖片來源：Stanford University/Barron Storey

自2004年4月20日發射後，重力探測器B於2004年8月28日開始收集數據，並於2005年8月14日結束。引力探測器B的最初結果證實了廣義相對論所預言的測地線效應的精確度達到了誤差小於1%，而所期望的參考系拖拽效應的信號強度則和當前的噪聲強度處於同一量級。

NASA在2011年5月4日發布消息稱，該局2004年發射的重力探測器B已經證實了愛因斯坦廣義相對論的兩項關鍵預測。這項研究成果已被美國《物理評論通訊》雜誌接受並發表。

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