套用慣性技術驗證廣義相對論——2013年新版

《套用慣性技術驗證廣義相對論——2013年新版》是2013年出版的圖書，作者是丁衡高、賀曉霞、高鐘毓。

本書主要介紹用於驗證愛因斯坦廣義相對論的B型引力探測器（GPB）中用到的慣性技術。第1章簡要地介紹了愛因斯坦廣義相對論的預測及驗證原理；第2章介紹GPB衛星的組成、GPB衛星上搭載的儀器裝置、運行環境以及系統的層次和複雜性；第3章介紹了GPB衛星的陀螺的關鍵技術；第4章介紹了地面上陀螺的檢測和標定的原理及過程；第5章介紹了衛星是如何保證測量數據可信度的；第6章介紹了科學數據提取和估計；第7章介紹了實驗結果及問題；第8章介紹了媒體和學術界對GPB的評論，第9章給出了GPB試驗給我們的啟示。在附錄中，列出了GPB發展大事記和一些重要事件，包括GPB發射升空後一系列的試驗事件，還給出了本文中涉及的中英文專業術語對照表和GPB有關的資源。

基本介紹

• 書名：套用慣性技術驗證廣義相對論
• 作者：丁衡高、賀曉霞、高鐘毓 
• ISBN：9787302312963
• 定價：22元
• 出版時間：2013-4-10
• 裝幀：平裝
• 版次：1-1

圖書簡介

本書不僅對慣性技術及航空航天領域的研究生、本科生以及工程技術人員具有參考價值，而且可以作為高級科普書，開拓科研工作者的視野。

前言

我以喜悅的心情歡迎本書的問世。我所熟悉的或是素不相識的中國朋友們，像我的Gravity Probe B團隊一樣關注著精確測量的美妙，我向你們表示由衷的問候。科學具有國際性：蘇格蘭的同仁發明了測量熔凝石英陀螺轉子均勻度的儀器；義大利的兩個科研機構（ICRA和ICRANet）給我們提供了理論和工程上的支持；自2008年以來，沙烏地阿拉伯的科學工程核心KACST在關鍵的後期數據分析中與我們建立了關鍵性的合作，這一合作延續至今。而今，中國清華大學的校園裡出現了對Gravity Probe B團隊完全獨立的里程碑式的評估並利用NASA提供的數據對愛因斯坦的兩個效應之一進行的獨立分析。Gravity Probe B團隊三個創始人之一，威廉·費爾本克(William Fairbank)曾經引用另一個著名物理學家的話：“絕不要低估傾聽旁人在你熟悉領域的講座的樂趣——你也許能學到很多。”本書給Gravity Probe B團隊提供了這樣的樂趣。
愛因斯坦的引力理論、廣義相對論，奇妙地與技術科技發展交織演變。他的起點不是引力，而是力學。麥克斯韋的電磁學理論與牛頓力學是不匹配的，這在19世紀末已經很明朗。愛因斯坦認為答案應該是保留電磁學理論而修改力學。如此生成的理論，及現今稱作“狹義相對論”的理論，有著極深的實驗後果，其中包括解釋放射性過程中所釋放的巨大能量。那么引力呢？牛頓的思想需要又一次修正。1916年愛因斯坦提供了修正的要素，他提出引力不是以力的方式相互作用，而是通過時空的彎曲而作用。這一提議極為深奧，但從實驗的角度，牛頓的理論卻已經極為成功。愛因斯坦只能提出三個效應很小的定量實驗：光在引力場向上運動會產生紅移，光線掠過太陽時會偏轉1.7″及水星近日點的運動會有0.4%的修正。其中兩個效應，近日點修正和光線偏轉，很快就被驗證了。愛因斯坦也成為我們現今所知的世界名人。接下來，一直寂寂無聲。40年後，Pound與Rebka第一次測量了引力紅移。在這期間，沒有人提出過第二個定量的實驗驗證。更糟糕的是，1960年Leonard Schiff提出先前的實驗對愛因斯坦理論的證實比大家想像的還要少。但難以料及的是科技的發展提供了新的機遇。Schiff和Pugh獨立提出太空將為兩個新效應的測量開路——陀螺的坐標系拖曳及短程線進動。射電天文的發展開拓了其他的驗證實驗，諸如Shapiro時間延遲效應，Taylor\|Hulse脈動星測量，Vessot與Levine的Gravity Probe A氫微波激射器使得引力紅移的精確測量成為現實。
45年的探索，Gravity Probe B團隊要測定坐標系拖曳及短程線進動，要求陀螺的漂移精確度在10-10~10-11 °/h，引發了一系列新技術的發展，這些技術都將由本書介紹。

Francis Everitt[]王肅文 譯[]2013年4月PREFACE[2][2]

2011年5月4日，NASA新聞發布會上，B型引力探測器(GPB)的項目負責人Francis Everitt宣布了GPB實驗的最終結果：短程線效應為(6602±18)×10-3(″)/a，坐標系拖曳效應為(372±72)×10-3(″)/a。廣義相對論預測值分別為6602×10-3(″)/a和392×10-3(″)/a，即GPB實驗測得的短程線效應的精度為03%，而更小的坐標系拖曳效應的精度為20%。而GP\|B的預期目標是二者的精度分別為0.01%和1%，也就是說，GPB的實驗結果為：GPB作為一個概念簡單的實驗，驗證了廣義相對論的兩個推測，但是精度未達到預期目標。
在GPB歷時半個世紀的實驗過程中，他們製造了榮膺最完美球體金氏世界紀錄的桌球大小的陀螺轉子、用5年的時間堅持不懈地對陀螺儀干擾力矩進行建模和數據處理，不斷地降低實驗誤差以及反覆校核實驗結果，堪稱是一個特殊的艱難歷程。到底是什麼未曾預料的棘手的問題導致一個概念簡單的實驗需要如此長的數據處理時間？
本書在舊版的基礎上，向讀者介紹GPB的實驗結論以及實驗中的一些問題。
新版主要在如下方面進行了增補和調整：
(1) 擴充了第6章的數據提取和處理方法，介紹了4個層次的科學數據和採用的數據處理方法；
(2) 把原來的第7章移到第9章，並給出了對GPB實驗的思考；
(3) 新增GBP實驗結果及問題作為第7章，新增媒體和學術界對GPB的評論作為第8章。
編寫新內容的過程中，作者曾到史丹福大學訪問過GPB項目負責人Francis Everitt和技術管理人Barry Muhlfelder，並和技術人員Suwen Wang和G.M.Keiser討論了相關技術問題。作者根據他們的講解，勘誤了初稿中的一些錯誤。Suwen Wang還對本書的初稿進行了全面的審閱，提出了不少中肯的意見，作者根據他的意見作了修改後，才最終成稿。在此，向幫助過我們的Francis Everitt、Barry Muhlfelder、Suwen Wang和G.M.Keiser表示感謝。由於水平有限，書中一定會有缺點和錯誤，還請讀者批評指正。

作者[]於清華大學[]2012年12月[]套用慣性技術驗證廣義相對論(2013年新版) []前方言[][]PREFACE[2][2]

2005年6月17日，為了紀念愛因斯坦狹義相對論發表100周年及配合國際物理年紀念活動，中國慣性技術學會與清華大學在中國科技會堂聯合召開了“套用慣性技術驗證廣義相對論預測效應”的學術報告會，筆者應邀作了報告。此外，筆者曾先後應邀在中國慣性技術學會測試技術年會、航天科工集團和航天科技集團等有關單位作了類似的學術報告。這些報告引起了廣大聽眾的極大興趣和反響，因此，我們在講稿的基礎上，經過修改補充，完成了本書，以饗讀者。
航海、航空、航天及科學研究的需求，牽引了慣性技術的發展。同時慣性技術也是一門多學科交叉的科學技術，在其發展的歷程中，帶動了一系列新興學科和技術的發展，也為本身增添了生機和活力。本書的目的是向廣大有興趣的讀者介紹在最富挑戰性的科學實驗中慣性技術套用的最新成就。通過本書，希望讀者能了解慣性技術具有獨特的功能和驚人的探測本領，在科學研究、國民經濟發展及國防建設中都是大有可為的。同時，還希望本書對發展我國太空科學實驗中的慣性技術有一些啟示作用。
由中國慣性技術學會組織，本書的初稿經過陸元九院士、章燕申教授、楊暢研究員、呂應祥研究員及馮培德院士等學者的審閱。在編寫本書有關廣義相對論的基礎知識的過程中，得到了張元仲研究員的幫助。藉此機會一併致謝。
由於水平所限，書中一定會有缺點和錯誤，敬請讀者批評指正。

作者[]於清華大學[]2005年7月CONTENTS[2][2]

目錄

引言

1.1愛因斯坦廣義相對論的預測及驗證原理3

1.1廣義相對論3
1.2對廣義相對論所預言的新物理效應的預測6
1.3短程線效應和坐標系拖曳效應引起的陀螺進動8
1.3.1短程線效應引起的陀螺進動10
1.3.2坐標系拖曳效應引起的陀螺進動13
2引力探測器衛星(GP\|B)15
2.1GP\|B實驗的目的和意義16
2.2測量短程線效應和坐標系拖曳效應的原理和
方法17
2.3GPB的軌道及嚮導星選擇19
2.4衛星的結構和參數21
2.5衛星搭載的儀器裝置25
2.5.1杜瓦瓶25
2.5.2真空金屬筒26
2.5.3石英塊29
2.5.4陀螺和加速度計31
2.5.5超導量子干涉儀(SQUID)32
2.5.6望遠鏡32
2.6對引力探測器衛星的要求34
2.6.1總要求及誤差樹34
2.6.2陀螺受到的干擾加速度應小於10-11g37
2.6.3衛星核心部件的低溫工作環境38
2.6.4低磁場環境38
2.6.5真空罐內的真空度40
2.6.6其他40
2.7GPB系統層次和系統複雜性42
2.7.1系統目標43
2.7.2系統組成的層次和工程階段44
2.7.3系統複雜性45
[]套用慣性技術驗證廣義相對論(2013年新版) []目錄[][]3陀螺結構及關鍵技術47
3.1靜電陀螺的結構47
3.2陀螺轉子製造和參數測量48
3.3陀螺支承50
3.4陀螺加轉與阻尼52
3.5陀螺信號讀取54
3.6陀螺裝配57
3.7小結58
4陀螺及其部件在地面的測試和標定59
4.1太空中與地面上陀螺工作狀態的差別60
4.2太空中陀螺受到的干擾力矩60
4.3太空中陀螺漂移模型64
4.4地面上的陀螺漂移65
4.5支承系統在地面的測試66
4.6SQUID在地面的測試67
4.7陀螺精度實驗及誤差分析71
4.8其他78
4.9小結79
5GPB衛星測量數據可信度的保證81
5.1實驗數據內部一致性的保證81
5.2實驗數據外部一致性的保證82
5.3太空中的標定84
6科學數據提取和估計87
6.1科學數據提取87
6.2數據介紹88
6.3數據處理與估計90
6.3.1發射前擬採用的數據處理模型90
6.3.2最終採用的數據處理模型92
6.4GP\|B實驗系統誤差103
7GP\|B實驗結果及問題105
7.1GP\|B實驗的結論106
7.2兩個始料未及的事情及它們對實驗的影響109
7.2.1碎磷效應引起的陀螺時變極跡運動及
對實驗的影響109
7.2.2不對準力矩和諧振力矩113
7.3數據處理的主要方法115
8評論117
8.1美國國家航空航天局的評論117
8.2《AAAS Science Now》評論118
8.3《American Surveyor》評論118
8.4《Aviation Week》評論119
8.5《BBC NEWS》評論119
8.6《Big Think》評論119
8.7《Bloomberg》評論120
8.8《Physics》評論120
8.9《Inside GNSS》評論121
8.10《Nature. com NEWs》評論121
8.11《NYTimes》評論122
8.12《Science News》評論123
8.13《SF Chronicle》評論123
8.14施昊的質疑文章123
8.15張操的質疑評論124
9GP\|B實驗給我們的啟示125
9.1GP\|B陀螺為慣性技術的空間套用開闢了新思路125
9.2嚴格“安靜”的環境條件是陀螺儀工作的必要條件125
9.3新材料、新技術的套用是提高陀螺精度的基礎126
9.4縝密的太空檢測與可靠的實驗數據處理是
實驗成功的重要環節127
9.5正確有效的管理是成功的有力保證128
9.6GP\|B在帶動相關學科發展、培養人才方面
做出了歷史性的貢獻128
9.7勇於探索，不斷創新129
附錄A131
A.1GPB發展大事記131
A.2專業術語中英文對照143
A.3科學術語解釋144
A.4一些有關的網站資源147
參考文獻149
[]套用慣性技術驗證廣義相對論 []1愛因斯坦廣義相對論的預測及驗證原理[][]