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重力探针B,第1部分:精进的科学,令人难以置信的工程设计,但成果平庸:原理

2020-02-12    阅读量:31266    新闻来源:互联网     |  投稿

一项艰巨而昂贵的轨道科学实验着手通过突破科学和工程学的边界来验证广义相对论的微妙之处,但结果却没有定论,令人沮丧。


2004年4月20日,从范登堡空军基地发射的一架波音Delta II火箭将重力探测器B送入轨道,因此启动了近50年的探索,以验证爱因斯坦广义相对论的必然结果。该实验最初于1960年构思,最初于1964年获得资助,但由于财务,物理和实施方面的挑战而延迟了数十年,体现了最终的精确测量结果,同时识别并尝试消除或消除错误源中国机械网okmao.com。与其他最先进的工程和科学项目一样,GP-B(重力探针B)在概念上很优雅,但在执行细节上却很残酷,其结果令人失望。


我们现在接受爱因斯坦的相对论是事实,并且有充分的理由。自从他于1905年提出特殊理论并在1916年采用将空间,时间和引力联系起来的通用理论之后,这两种理论已经通过无数的试验,观察以及它们预测和解释大原子和原子的能力得到了证实。规模现象。相对论,用优雅的公式E = mc 2概括,是普通人与相对论的联系,如果他们有任何关联的话。


但是,通俗易懂的通用理论中有一项微妙的功能,就是逃避了直接的实验确认。该理论预测的效果是如此微妙,以至于只有一个观测结果(1970年代中期的Hulse-Taylor双脉冲星发现)间接证实了这一点。


什么是拖曳画面?简单来说,爱因斯坦的通论将宇宙设想为不仅仅是“空间”,而且还将空间和时间看作一个统一的“织物”。任何质量及其引力场都会扭曲这种时空结构并使其弯曲。 。研究人员已经证实了这种效果,这与将篮球放在大而张开的网子上时的情况类似。


但这还不止于此:通用理论发表仅两年后,物理学家约瑟夫·伦斯和汉斯·特林就算出,时空结构中的旋转体也会慢慢拖曳并扭曲周围的时空。就像旋转的篮球在旋转时抓住并扭转周围的一些网状结构(图1)。GP-B旨在成为第一个直接实验来确认这种拖帧效果(图2)。


一个大胆的项目,其准确性几乎无法理解


GP-B实验与科学家实验室中的实验几乎没有相似之处。整个装置被装入一个重达21英尺(3吨)的三吨重的外壳中(图3),并置于400英里高的极地轨道上。实验通常要求极高的精确度,每天升空的发射窗口只有一秒钟-如果错过了,该装置将无法获得将其与引导星对准所需的精确极地轨道。


许多经验丰富的合作伙伴为超过十亿美元的GP-B项目做出了贡献。总承包商斯坦福大学与美国宇航局马歇尔太空飞行中心合作,制造了科学仪器。洛克希德·马丁公司的导弹与太空公司有一个主要的分包合同,哈佛史密森尼天体物理学观测站提供了重要的指导星测量数据。(注:“重力探测器A”于1976年6月18日发射升空,计划进行115分钟的亚轨道飞行,仅用于测试某些概念并验证一些关键数据。)


GP-B的心脏是一组四个陀螺仪,但它们与作为玩具出售的粗陀螺仪甚至用于导弹制导的精确陀螺仪几乎没有相似之处。陀螺仪是大小为乒乓球(直径为1.5英寸)的电旋转球,在10,000 rpm的真空中旋转,并容纳在一个9英尺长的室内。


这个原理看似简单:一个完美的陀螺仪在空间中指向同一方向。任何拖曳的帧都会扭曲时空结构,并影响陀螺仪的指向。但是这个实验提出了两个问题。首先,陀螺仪组件的缺陷会导致其漂移。其次,在时空弯曲,拖曳帧和相对论效应的上下文中,简单的短语“相同方向”失去了意义。为了使实验复杂化,陀螺仪穿越时空曲率的大地测量效应远大于框架拖动效应。


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