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重力探測器B

科学探测卫星

重力探測器B（英語：Gravity Probe B，簡稱GP-B）是美國太空總署（NASA）在2004年4月20日發射的一顆科學探測衛星。這個任務的計劃是測量地球周圍的時空曲率，以及相關的能量-動量張量（描述物質的分佈及運動的張量），從而對愛因斯坦的廣義相對論的正確性和精確性進行檢驗。衛星的飛行持續到2005年，其後任務進入到了數據分析階段（2008年5月），並有可能一直持續分析到2010年[3]。重力探測器B的研發歷史可追溯到二十世紀六十年代，至2004年正式升空長達四十多年，其耗資達七億五千萬美元[4]。這是美國太空總署歷史上研發時間最長的計劃，之所以如此拖延的原因不僅僅在於技術上的難題，其中也牽扯進了很多關於科學上與政治上的爭論[5]。

重力探測器B
Gravity Probe B
軌道上的重力探測器B，藝術家的構想圖
所屬組織美國太空總署及史丹福大學
主製造商洛克西德·馬丁公司
任務類型廣義相對論的實驗驗證
環繞對象地球
繞軌圈數距地表642公里上方的極軌道[1]
發射時間2004年4月20日 16:57:25 (UTC) (2004-04-20T16:57:25Z)
發射手段三角洲二號運載火箭
發射地點 美國 加利福尼亞州
范登堡空軍基地
任務時長17.5月[1]
COSPAR ID2004-014A
SATCAT no.28230在維基數據編輯
官方網站einstein.stanford.edu
質量3,100公斤[1]
尺寸長度：6.4公尺
直徑：2.6公尺[1]
功耗總功率：606瓦特（太空船：293瓦特、酬載：313瓦特）[1]
動力35 安培小時[1]
軌道參數
半長軸7,027.4公里（4,366.6 英里）[1]
離心率0.0014[1]
傾角90.007°[1]
遠拱點距地表659.1公里[1]
近拱點距地表639.5公里[1]
週期97.65分鐘[2]

重力探測器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曳效應的信號強度則和當前的雜訊強度處於同一量級（這些雜訊主要來自一些尚未建立研究模型的物理效應）[6]。相關的數據分析工作正在進行中，對信號中的雜訊進行建模分析，找到誤差來源，從而能夠將有用的參考系拖曳信號從中萃取出來。2008年8月，參考系拖曳效應已被確認在期望結果的15%範圍內。[7] 2008年12月，美國太空總署發佈報告，測地線效應的精確度達到了誤差小於0.5%。[8]

在一篇於2011年發表在《物理評論快報》的論文裏，作者表示，從分析所有四個陀螺儀給出的數據，得到測地漂移率為 −6,601.8±18.3 mas/yr) ，參考系拖曳漂移率為−37.2±7.2 mas/yr；廣義相對論預測分別為−6,606.1 mas/yr 與−39.2 mas/yr，差異分別為0.07%與5%，不確定性分別為0.28%與19%。[9]

一些初步結果在美國物理學會於2007年4月舉辦的一場特別會議裏被發佈。美國太空總署原本請求延伸重力探測器B數據分析階段至2007年12月。靠着商人理查·費爾班克（英語：Richard Fairbank）、史丹福大學、美國太空總署的專款支持，這數據分析階段得以延伸至2008年年中。之後，又從沙特商人募得很多專款。[7] 2011年，終於完成科學報告。

概述

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地球重力場中的重力探測器B

重力探測器B本質上是美國太空總署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，並主要由洛歇·馬丁公司承包完成。之所以命名為重力探測器B，是因為它被看作是第二個在太空中進行的重力實驗，這是相對於1976年發射的重力探測器A（英語：Gravity Probe A）而言的。

在2007年4月14日至17日期間於佛羅里達州傑克遜維爾召開的美國物理學會四月年會上首先公佈了重力探測器B的一些初始探測結果[6]。NASA起初提議將重力探測器B的數據分析工作期限延伸至2007年12月底，但隨後延長到2008年9月，並有可能進一步延長到2010年3月，屆時關於參考系拖曳的科研測量成果將有望正式得出。

總體而言，這項任務包括對地球重力場中的兩種廣義相對論效應進行測量：參考系拖曳和測地線效應。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重力探測器B所預計將達到的精確量級。

實驗的主要目標之一是高度精確地測量放置於一顆高度為642公里的極軌道人造衛星上四個陀螺儀的自旋方向改變。這些陀螺儀遠離一切可能的擾動，從而提供了一個近於完美的時空參考系。通過對這些陀螺儀自旋方向的測量，可以了解到時空在地球的存在下是如何發生彎曲的，以及更進一步地，測量到地球的自轉是如何「拖曳」周圍的時空隨之一起運動的。這種效應叫做蘭斯-蒂林效應，是參考系拖曳的一種；它有時也被稱作重力磁性，是由於這種重力場的產生機制類似於電磁學中運動電荷產生感生磁場的原理。

在重力探測器B發射之前，對參考系拖曳效應僅有的測量數據來自於1997年和2004年發射的兩顆LAGEOS衛星，它們採用激光測距的方法聲稱對參考系拖曳的測量分別達到了約為20%和10%的誤差精度[10][11][12]。而重力探測器B的目標精度則是1%。另一個在火星重力場中觀測蘭斯-蒂林效應的測試結果是根據對火星全球探勘者號的位置數據進行恰當分析後得到的，其聲稱的精度達到了0.5%[13]，但這一結果的精確性卻充滿爭議[14]。

實驗的另一主要目標是測量地球重力場中的測地線效應。這種效應來自於地球重力場中時空曲率的改變，從而陀螺儀的自轉軸在地球重力場中進行平行輸運時，在地球自轉一周的範圍內並不會保持同一方向，最終影響結果是造成陀螺儀的進動。這種效應是參考系拖曳效應的170倍，廣義相對論的理論預言由於自旋-軌道耦合和時空曲率而產生的軌道平面上的測地線效應總和會造成陀螺儀每年進動6.606角秒，因此它是一個相當可觀的廣義相對論效應。對於測地線效應，物理學家基普·索恩有一個通俗演示錄像[15]：他使用一個接近扁平的紙質圓錐來模擬地球重力場，而這個圓錐是通過剪掉一個圓環上的一個扇形後粘合得到的。重力探測器B所要測量的，就是這塊因測地線效應而「丟失的」扇形（角度），其要求精度將達到萬分之一，是迄今為止對廣義相對論最精確的實驗驗證。

重力探測器B原本計劃於2004年4月19日在范登堡空軍基地藉助德爾塔-2運載火箭發射，但由於位於高空大氣層的風的變化，過程被迫順延至發射窗口的5分鐘後。這項任務的不尋常之處在於，由於對運行軌道的高精度要求，發射窗只能維持一秒鐘。因此它的成功發射時間是太平洋時間4月20日9點57分23秒（國際標準時間16點57分23秒），衛星在經過南極點並經過短暫的二級燃燒後於太平洋時間11點12分33秒（國際標準時間18點12分33秒）進入軌道，衛星運行時間持續17個月。

實驗設置

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重力探測器B所用的熔凝石英製成的陀螺儀轉子折射出背景中愛因斯坦的照片：在當時這是人類所能製作得到的最接近完美球體的物體[16]，它和一個完美球體相比在尺度上差別不超過40個原子的厚度。

重力探測器B的實驗設置包含四個陀螺儀和一個指向飛馬座的雙星HR8703[17]（又稱IM Pegasi）的參考望遠鏡。在極軌道下，陀螺儀的自轉軸也都指向HR8703，從而參考系拖曳和測地線效應所表現出的角度偏移能夠被每一個陀螺儀測量到。這些陀螺儀都被存放於一個9英尺高，容積為650加侖的保溫瓶中[18]，其中充滿了恆溫的液氦超流體，以保持低於2開爾文（攝氏零下271度，華氏零下456度）的恆溫。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。

在建造期間，這些陀螺儀轉子是人類所能製作得到的最接近完美球體的物體：它們大約為乒乓球大小，相對於完美球體的誤差大約只有四十個原子的尺度（小於10納米）。如果將這些陀螺儀轉子按比例放大到地球的尺度，那麼這個球上最高的山峰將只有2.4米高[19]。陀螺儀本身的材料是熔凝石英，而在外層則鍍上了一層超薄的鈮。實驗中主要的注意事項之一是儘可能降低來自其他任何非相對論因素的對陀螺儀自旋的擾動，因此在運行中陀螺儀絕對不能接觸盛放它們的容器壁。解決這個問題的方法是通過電場將它們懸浮，並用一束氦氣流推動它們開始旋轉。在實驗運行中，它們的自轉軸方向是通過採用超導量子干涉儀（簡稱SQUID）對具有超導電性的鈮層所激發的磁場進行監控而測量的（這是由於處於自旋狀態的超導體會激發和其自轉軸方向精確一致的磁場，參見倫敦磁矩（英語：London moment））。

重力探測器B將飛馬座IM選做導航星體是基於如下幾個原因的：首先它需要具有足夠的亮度從而能方便地通過望遠鏡觀測到；其次它在天球坐標中接近赤道，位置十分理想。此外很重要的一點是它的運動規律已經被人們了解得相當清楚，這要歸功於它所輻射的相對高強度的無線電信號。作為這項任務的準備工作之一，天文學家們分析了基於它發射的無線電信號而得到的飛馬座IM相對於遙遠類星體的近年來的位置測量數據，從而能夠儘可能地根據需求精確獲得它的運動規律。

歷史

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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萊昂納德·西弗（英語：Leonard I. 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，但由於探測器本身對工程技術方面的要求非常之高以至於在當時技術無法滿足，NASA所給的經費在數量上屬於低級層次。隨着其後二十年間技術水平的提升，NASA將這項計劃的研究經費提高到了一億三千萬美元，這其中不包括搭載穿梭機發射所需的費用。但其後在1986年由於挑戰者號穿梭機失事，NASA在有關穿梭機的計劃上做出變動，這導致任務團隊被迫從基於穿梭機發射的設計轉向為基於德爾塔-2運載火箭的設計，而原本定於1995年的在穿梭機上進行的探測器原型測試也繼而取消。同時NASA的科研資金也變得緊縮，他們開始依靠美國國家科學院對科研計劃進行定期評審來設定任務的優先級，因此像重力探測器B這樣一個僅僅用於驗證重力理論的高消費科研項目在很多人眼裏都無法得到重視。在重力探測器B長達四十多年的研發時間中，始終有觀察家認為這項計劃是對資金的巨大浪費，即使在今天很多人看來，它的價值仍然不及其他空間科研計劃。而NASA也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法蘭西斯‧艾弗里特（英語：Francis Everitt）在其中所作的政治斡旋。伊夫利特從1981年起開始擔任這項計劃的主持工作，他在職期間馬不停蹄地對加州和聯邦的政治家進行遊說，而他的努力使國會立場堅定地將這一計劃維持下去[5]。

縱觀重力探測器B的研發歷史，評論者普遍認為這項計劃本身具有爭議，而且技術上非常具有挑戰性，但又都謹慎地認為這項計劃應該繼續下去。一個看似簡單的原因是，NASA已經在這個項目上花費了太多的錢。按照NASA空間科學部門主席愛德華·韋勒（英語：Edward J. Weiler）（他本人曾多次試圖取消這一計劃）的說法，他如今若要取消一項計劃，「寧可是在已經花費了四百萬美元的時候而不是在四億美元的時候」。而阻止這項計劃繼續燒錢的唯一理智的辦法就是讓這項計劃快些完成。不管怎樣，雖然重力探測器B的主要任務僅僅是測試廣義相對論的正確性，但由於愛因斯坦理論對當代物理學研究的重要意義，在探索更廣闊的未知領域之前首先確保理論基礎的正確性也無可厚非[5]。隨着2004年的正式升空，重力探測器B歷經曲折的四十餘年的研發，成為了歷史上第一個在NASA資助下由大學開發研製並投入實際運作的人造衛星。

這任務的費用總共為$7.5億元.[20]

任務時間表

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重力探測器B在德爾塔-2運載火箭的助推下發射升空
  • 2004年4月20日
  • 重力探測器B成功從范登堡空軍基地發射並進入預定極軌道。
  • 2004年8月27日
  • 重力探測器B進入科學探測階段。在任務第129天時除四號陀螺儀的自轉軸需要進行進一步準直外，全部系統都準備完畢投入數據採集工作。
  • 2005年8月15日
  • 重力探測器B完成科學探測階段，儀器轉入最終數據校正模式。
  • 2005年9月26日
  • 校正階段完成，恆溫室中還留有液氦，航天器回到科學探測模式並等待液氦完全耗盡。
  • 2006年2月
  • 數據分析第一階段完成。
  • 2006年9月
  • 數據分析團隊意識到需要做更多的誤差分析，特別是關於陀螺儀的本體極跡運動，這使得數據分析的時間表延長到2007年4月之後，並使得NASA的資金提供延長到2007年底。
  • 2006年12月
  • 數據分析第三階段完成。
  • 2007年4月14日
  • 宣佈了截止於當前所得到的最佳測量結果。弗朗西斯·伊夫利特在美國物理學會四月年會上報告了一些初始測量成果：「從重力探測器B的陀螺儀測得的數據清晰地證實了愛因斯坦的理論對測地線效應的預言的誤差低於1%。不過由於參考系拖曳效應要比測地線效應弱170倍，史丹福的科學家們仍然在致力於從航天器的數據中萃取它的本徵資訊。」[21]:2
  • 2010年12月8日：
  • 重力探測器B被除役，它仍舊移動在它的642 km (400 mi) 極軌道。[22]

根據2007年2月9日的官方通告，由於探測器接收到了相當多預料之外的未知信號，因此還需要進行將這些信號剔除等工作後才能將最終結果公佈。同年四月的通告中說，陀螺儀的自轉軸受到了某隨時間變化的力矩影響，從而導致分析這一誤差並得到最終結果還需要更長的時間。這導致結果的公佈時間被接連推遲，從2007年4月推遲到12月，進而是2008年9月，而現在有可能要等到2010年3月。在2007年美國物理學會的四月年會上公開的對參考系拖曳測量的數據表明，測量得到的隨機誤差比理論上估計的誤差值要大很多，並且這一誤差中包含了圍繞零值均勻分佈但漲落很大的正值和負值，這一結果使人產生懷疑是否還有可能從測量數據中提取出有用的結果。

2007年6月，官方發佈了一份詳盡的更新，說明了產生上述問題的原因並聲稱正在研究這一問題。雖然在最初陀螺儀球體塗層的不均勻導致的靜電作用已經被考慮到，並曾經以為在運行之前就得到了控制，但現在已經知道球體的最終塗層導致了兩個半球上的電勢具有輕微的差別，從而使得球體上產生了電偶極矩[24]。電偶極矩在電場在作用下對球體產生軸向的力矩，這個效應據估計和參考系拖曳所產生的效應具有相同的數量級。此外，由於陀螺儀的本體極跡運動導致在外層電極中產生動生電流，這使得系統能量不斷耗散，並使得陀螺儀的運動也在隨時間變化[25]。這意味着一個簡單的對時間求平均的本體極跡運動模型不足以描述這個系統的行為，研究並在計算中消除這一效應需要一個更詳細的軌道模型。在基於「任何地方都有可能出問題」的考慮下，航天器飛行任務的最後一部分是數據校正[26]，此期間在航天器的軸故意做出一定偏移的條件下進行數據採集，持續時間24小時。這一數據被證實對識別那些效應產生的誤差非常有價值。研究團隊將靜電力矩通過建模寫成自轉軸偏移的函數形式，而對本體極跡運動這一效應也建立了相應合適恰當的模型，現在他們寄希望於能夠克服這些外界影響，從而將相對論效應的測量結果從這些雜訊中剝離出來並達到可分辨的程度。

史丹福大學方面已經同意將部分原始數據在未來某個尚未明確的時間公佈於眾。現在看起來這些數據將會被其他進行獨立研究的科研人員檢查，而公佈於眾的時間是在2008年9月以後。由於考慮到這些重力探測器B團隊以外的科研人員對數據的闡釋可能會和官方結果有所不同，真正等到重力探測器B的所有測量數據被完全理解可能還需要好幾年的時間。

美國太空總署的評論

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NASA委派的一個由15人組成的專家團給出了一份評論報告，其中反對將數據分析階段延長至2008年後。他們警告稱，由於測量過程中經典力矩的影響以及太陽耀斑造成的多次數據採集中斷，導致需要進行降噪的雜訊量級「過高，因此從這一實驗中最終測量出的任何效應都不得不將克服科學社群中相當多的（同時在我們看來也是相當合理的）懷疑」[27]。

NASA之後的數據分析工作

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NASA對這一計劃的贊助和支持終止於2008年9月30日，但重力探測器B團隊仍然具有可靠的資金來源以保證他們的研究人員能夠正常工作至少到2009年12月。

2008年8月29日，重力探測器B科學顧問委員會第18次會議（簡稱SAC-18）在史丹福大學舉行，會上報告了當前的進展。其後SAC-18在向NASA的報告中稱[28]：

在史丹福大學的分析小組與美國太空總署於2011年5月4日宣佈，重力探測器B實驗數據證實愛因斯坦廣義相對論的兩個預測。[29]這結果發表於《物理評論快報》。[9]關於更進一步實驗測量參考系拖曳的建議可以在《歐洲物理快報》的2011年11月期刊查閱。[30]

更廣闊的遺產

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在其任務本身之外，重力探測器B的研究意義還在於它開發並完善了至少十幾種新技術。例如它所用的陀螺儀的穩定性是最好的導航陀螺儀的一百萬倍，而為了製得完美球體的陀螺儀轉子工作人員花了十年以上的時間並開發出了一套全新的製造工藝。實驗中所用的超導量子干涉儀的靈敏度之高可以探測到0.1毫角秒的角度傾斜。在四十多年的研究過程中，重力探測器B也創造了可觀的技術、商業和社會收益，例如它用於在太空中控制液氦的滲透式活塞在NASA的其他很多空間項目中都起到了基礎性作用。對社會而言最重要的是，重力探測器B的研究對眾多教師和學生的事業和生活都產生了深遠的影響，這其中包括79篇史丹福大學以及13篇其他大學的博士論文。參與重力探測器B的人員其中包括美國的第一位女太空人，一位航空公司行政總裁以及一位諾貝爾獎獲得者[18]。

參見

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參考文獻

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外部連結

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