坐標系拖曳效應

坐標系拖曳效應是指一種這種扭轉效應,按照愛因斯坦的推理,他認為一個大質量天體,如地球,會讓周圍的時空扭曲,就像一顆保齡球放在軟床墊上形成的漩渦,而且天體的重力會拖著時空一起旋轉。

證實
重力探測器B終於證明愛因斯坦的理論是正確的,重力探測器B測量到了陀螺儀輕微的傾斜,檢測到了廣義相對論的兩個效應:“短程線效應”和“坐標系拖拽效應。” 在廣義相對論提出50年後,美國宇航局耗資7.60億美元的太空飛行器已經證實了愛因斯坦的廣義相對論的正確性質。
重力探測器B已獲得了一些測量數據,證明廣義相對論的兩個理論預言是正確的,這兩個重力效應產生於大質量物體引起的時空彎曲。總部位於華盛頓特區的美國宇航局召開的新聞發布會上,斯坦福的大學的物理學家弗郎西斯-埃弗里特說:“愛因斯坦的理論終於得以存在!”
但是,另一些研究人員對此結果只是鼓掌歡迎以示禮貌。達不到精確顯影的重力探測器可望再做一些關鍵性的測量。而且,6年前曾獨家報導過這個項目,當時兩位物理學家從造價比較低廉的衛星上獲取數據,做了一些類似的測量。早期做過測量實驗的義大利物理學家Ignazio Ciufolini說,“我不得不向取得圓滿結果的重力探測器B團隊表示敬意,重力探測器B是一項困難且完美的實驗。”
經過幾十年的發展,重力探測器B從2004年4月20日開始,圍繞地球南北兩極飛行了17個月,用陀螺儀對廣義相對論的兩個效應進行了驗證。地球質量使時空產生一種微凹曲面,這就是所謂的“短程線效應”,結果呢,地球的圓周長應該比歐幾里德的公式值2π*R短一些,重力探測器B在40000公里的環地軌道上測量到了地球周長2.8厘米的衰減量,精確度達到了0.25%。
重力探測器B也證實了“坐標系拖曳效應”,地球的旋轉使時空產生扭曲。這好像是旋轉的地球浸入到了蜂蜜里,埃弗里特解釋道,“當地球旋轉時,它會拖曳蜂蜜一起旋轉。”他說,“同樣的道理,地球也會拖曳時空一起旋轉。”重力探測器B也證實了“坐標系拖曳效應”,精確度不及“短程線效應”的1/10,只達到了19%。
雖然如此,這個結果與研究人員所期望還有很大距離。為了測量這兩個廣義相對論效應,重力探測器B跟蹤4個陀螺儀的運動,並比較其旋轉軸相對於某個參考恆星的相對夾角,重力探測器B在極地環繞軌道上,“知程線效應”導致陀螺儀旋轉軸輕微向南北方向傾斜,而同時“坐標系拖曳效應”使旋轉軸向西東方向滯後,這些陀螺儀是工程學的奇蹟,每分鐘旋轉5000轉,桌球大小的石英球狀骨針上面,覆蓋有超導體鈮,沿陀螺儀旋轉軸產生磁場,堪稱完美。
有了這些陀螺儀,研究人員的目的是“坐標系拖曳效應”的精度能達到1%。但是靜電學的瑕疵阻撓了這項計畫。從機械學的方面來看,這些石英球針是人造的最圓的物體。埃弗里特解釋說,如果把石英球針吹成地球大小,其上面最大的小山也只有3米高,但是在超導體鈮上捕獲的粒子使陀螺儀從電力學的角度上說,與正圓還相差甚遠。在地球大小的石英球針伏特數表上,有的峰谷象珠穆朗瑪峰一樣高,這些不完美之間的相互作用和陀螺儀外罩產生的微小拖曳作用,研究人員曾花5年時間才弄明怎樣糾正這些缺點,以達到最佳精度。
另外一些科學家對此持懷疑態度。5年前,Ciufolini 曾指出,重力探測器B研究人員十多次報導過這種不確定性。糾正這么大的“系統誤差”是個棘手的任務,他說,“我雖然不知道這些細節,但對我來說,消除90%的系統誤差是非常困難的。”

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