出軌衛星改弦測試相對論

伽利略GPS 衛星

　　被意外發射到錯誤軌道上的兩顆人造衛星將改變用途，以便對阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論的一項預言進行迄今為止最為嚴格的測試。該預言認為距離大質量物體越近，鐘表的轉速就越慢。

　　由歐洲空間局（ESA）操控的這兩顆衛星于去年被一枚俄羅斯聯盟號火箭錯誤地發射到一條橢圓形軌道上，而非之前設計的圓形軌道。這使得它們不再適合自身的預期用途，即作為被稱為“伽利略”的歐洲全球導航系統的一部分。

　　但是這兩顆伽利略衛星都安裝有原子鐘。根據廣義相對論，時鐘的“嘀嗒”聲會隨著衛星在其搖擺的軌道中向地球靠近而逐漸變慢，這是因為大質量行星的引力會使時空結構彎曲所致。而隨著衛星離開地球遠去，時鐘則會越轉越快。

　　11月9日，ESA宣布，德國柏林應用空間技術與微重力中心（ZARM）和法國巴黎天文臺時空參照系統部門如今打算跟蹤這種時鐘的減速與加速。通過比較已知高度衛星上的時鐘運行速度，研究人員將能夠測試愛因斯坦廣義相對論的準確性。

　　并未參與這項工作的加拿大溫尼伯市馬尼托巴大學物理學家Gerald Gwinner指出，發射太空實驗需要大量的時間和金錢，所以利用偏離航向的伽利略衛星是“一個絕妙的主意”。“有時一個不幸的事故可以被轉化為一些有幫助并且有趣的東西。”Gwinner說，“這是一個‘當生活給了你一個酸檸檬，那就做杯檸檬水吧’的典型案例。”

　　早在1976年，美國宇航局（NASA）便發射了裝載著原子鐘的重力探測器A，在1萬公里的高空與地面上的另一部原子鐘比較“嘀嗒”聲。然而這架探測器在太空中只停留了不到兩小時。相比之下，伽利略衛星將進行長達1年的試驗——每天兩次爬升并下降8500公里。

　　ESA表示，這項試驗使科學家第一次有機會改進1976年的測量數據。該局衛星導航高級顧問Javier Ventura-Traveset表示，這將是有史以來進行的有關引力將如何影響時間流逝的最精確測量。

　　ESA預計最終的結果將比重力探測器A獲得的數據精確4倍，從而使得該局能夠以低于0.004%的精度檢驗理論是否與實際相符。

　　沒有人希望愛因斯坦在100年前提出的理論會被打破——它已經通過了所有相關的測試。但Gwinner指出，盡管如此，最后的結果依然是迷人的。他說：“雖然我們不知道廣義相對論能否以及在哪里會被打破，但重要的是這將大大推進人類的認知極限，并最終找到偏差的線索。并且如果能以一種省錢的方式完成這一切，那就更好了。”

　　ESA未來的一項試驗被稱為太空原子鐘（ACES），預計將于2017年在國際空間站上實施，并將把愛因斯坦理論推向更大的極限，預計使精度達到0.0002%。

　　Ventura-Traveset強調，在此期間，伽利略衛星或許依然能夠在導航上發揮作用。自從這兩顆衛星被發射以來，科學家采用了一系列手段調整其錯誤的軌道。他說，這可能使得它們在未來能夠參與伽利略系統同時進行的相對論測試，但這還沒有最終確定。

　　廣義相對論是愛因斯坦于1915年發表的用幾何語言描述的引力理論，它代表了現代物理學中引力理論研究的最高水平。廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，并在此基礎上應用等效原理而建立。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率）；而這種時空曲率與處于時空中的物質與輻射的能量—動量張量直接相聯系，其聯系方式即是愛因斯坦的引力場方程 。