重力探測器B

**引力探測器 B**（英語：Gravity Probe B，簡稱 GP-B）是美國國家航空暨太空總署（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（描述物質的分布及運動的張量），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。引力探測器 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。這是美國國家航空暨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。

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）。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。 2008 年 12 月，美國國家航空暨太空總署發布報告，測地線效應的精確度達到了誤差小於 0.5%。

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%。

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。美國國家航空暨太空總署原本請求延伸引力探測器 B 數據分析階段至 2007 年 12 月。靠著商人理查・費爾班克、史丹佛大學、美國國家航空暨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。 2011 年，終於完成科學報告。

## 概述

引力探測器 B 本質上是美國國家航空暨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。

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布了引力探測器 B 的一些初始探測結果。NASA 起初提議將引力探測器 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引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引力探測器 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；它有時也被稱作引力磁性，是由於這種引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。

在引力探測器 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，它們採用雷射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。而引力探測器 B 的目標精度則是 1%。另一個在火星引力場中觀測蘭斯 - 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%，但這一結果的精確性卻充滿爭議。

實驗的另一主要目標是測量地球引力場中的測地線效應。這種效應來自於地球引力場中時空曲率的改變，從而陀螺儀的自轉軸在地球引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影：他使用一個接近扁平的紙質圓錐來模擬地球引力場，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。引力探測器 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。

引力探測器 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

引力探測器 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（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，其中充滿了恆溫的液氦超流體，以保持低於 2 克耳文（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：它們大約為桌球大小，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 奈米）。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。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）。

引力探測器 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

引力探測器 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得・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，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。隨著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，這其中不包括搭載太空梭發射所需的費用。但其後在 1986 年由於挑戰者號太空梭失事，NASA 在有關太空梭的計劃上做出變動，這導致任務團隊被迫從基於太空梭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 年的在太空梭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，因此像引力探測器 B 這樣一個僅僅用於驗證引力理論的高消費科研項目在很多人眼裡都無法得到重視。在引力探測器 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弗朗西斯・伊夫利特（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。

縱觀引力探測器 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 空間科學部門主席艾德・維勒（Ed 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，雖然引力探測器 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。隨著 2004 年的正式升空，引力探測器 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.

## 任務時間表

* 2004 年 4 月 20 日

　
: * 引力探測器 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

　
: * 引力探測器 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

　
: * 引力探測器 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，太空飛行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

　
: * 宣布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：「從引力探測器 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，史丹佛的科學家們仍然在致力於從太空飛行器的數據中萃取它的本徵資訊。」

* 2010 年 12 月 8 日：

　
: * 引力探測器 B 被除役，它仍舊移動在它的 642 km (400 mi) 極軌道。

* 2011 年 5 月 4 日：最後實驗結果被發佈。在美國國家航空暨太空總署的總局，引力探測器 B 研究團隊領導法蘭西斯・艾弗里特報告實驗最終結果。

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布。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。這導致結果的公布時間被接連推遲，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布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，官方發布了一份詳盡的更新，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位具有輕微的差別，從而使得球體上產生了電偶極矩。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。這意味著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，太空飛行器飛行任務的最後一部分是數據校正，此期間在太空飛行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布於眾。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，而公布於眾的時間是在 2008 年 9 月以後。由於考慮到這些引力探測器 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，真正等到引力探測器 B 的所有測量數據被完全理解可能還需要好幾年的時間。

### 美國國家航空暨太空總署的評論

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，由於測量過程中古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」。

### NASA 之後的數據分析工作

NASA 對這一計劃的贊助和支持終止於 2008 年 9 月 30 日，但引力探測器 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，引力探測器 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：

在史丹佛大學的分析小組與美國國家航空暨太空總署於 2011 年 5 月 4 日宣布，引力探測器 B 實驗數據證實愛因斯坦廣義相對論的兩個預測。這結果發表於《物理評論快報》。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。

## 更廣闊的遺產

在其任務本身之外，引力探測器 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，引力探測器 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，引力探測器 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。參與引力探測器 B 的人員其中包括美國的第一位女太空人，一位航空公司執行長以及一位諾貝爾獎獲得者。

## 參見

## 參考文獻

## 外部連結

* Gravity Probe B web site at NASA （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（美國國家航空暨太空總署引力探測器 B 主頁）
* Gravity Probe B Web site at Stanford （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（史丹福大學引力探測器 B 主頁）
* Graphic explanation of how Gravity Probe B works （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（圖解引力探測器 B 如何工作）
* NASA GP-B launch site（NASA 的引力探測器 B 發射網站）
* NASA article on the technologies used in Gravity Probe B（NASA 關於引力探測器 B 所用技術的文章）
* General Relativistic Frame Dragging （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（另一篇關於參考系拖曳的文章）