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重力探针B,第4部分:精进的科学,令人难以置信的工程设计,但成果平平:令人失望和竞争

2020-02-12    阅读量:31342    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。这是重力探测器B的四部分系列的最后一部分。


GP-B实验的结果和教训是什么?斯坦福大学GP-B首席研究员弗朗西斯·埃弗里特(Francis Everett)表示:“背景效应将比实验寻找的爱因斯坦效应小5到6个数量级,因此这将是一个非常强大的测试中国机械网okmao.com。”


但是“底线”是这样:GP-B数据的分析结果尚无定论,令人失望。这并非是该探针证明或否定了要验证的理论,也不是观察到或未观察到框架拖动。只是无法减少的错误源-有些是预料到的,而另一些则不是-意味着数据存在太多不确定性,从而阻止研究人员以高度的信心得出任何结论。


错误的根源是什么?回顾过去,科学家得出的结论是,陀螺仪中一个极其微妙的错误源-以及与GP-B相关的所有错误-尚未被完全掌握。陀螺仪转子的铌外层仍保持很小的极性。当陀螺仪以高转速旋转时,这些极化像转子表面上的微小磁场一样出现。


GP-B团队已经预见到了这一困难。但是,它仍然回避评估,并成为错误源,这给项目增加了无法解决的数据噪声。这些磁场除了自基础物理学产生的其他几个摆动外,还为其旋转增加了微小但仍然很明显的摆动,因此已将其建模并纳入了数据分析校正算法中。


尽管此最新摆动也可以进行建模,然后在某种程度上进行减去,但该建模对于实验而言不够精确。结果是数据的SNR很小,必须对数TB的数据进行大量计算,才能尝试提取出真正的拖拽数据。但是,为了简化这种情况,对结果数据的置信度仅为1%左右。


得到教训


尽管GP-B项目负责人对调查结果发表了乐观但谨慎的报告,声称取得了成功,并提出了拖延的确认框架(对此表示怀疑),甚至有数百万美元的私人基金和赠款用于扩展,但NASA却为此付出了代价。 /收益/风险分析得出的结论不值得继续。缺乏明确的结果,无法避免的错误以及继续进行的代价是至关重要的因素。请注意,GP-B项目在成本和人员方面都非常庞大,涉及数百名研究人员,从经验丰富的非常资深的学者到博士学位。候选人和博士后研究员,甚至一些大学生。GP-B完成了数据收集操作,并于2010年12月退役。


不管结果如何,整个实验都推动了仪器精度的技术和实验界限,以及一些看似平凡的挑战。重力探头B激发了陀螺仪制造,悬挂,旋转和读数方面的进步;几乎完全消除干扰磁场;望远镜指向和控制;大规模的杜瓦瓶技术;每个方面的设计仿真,包括过冷氦晃动和蒸发的建模和控制,以及组件制造,校准和测试。有关更多物理,技术细节和见解。


例如,在1960年代最初设想该项目时,没人在太空中流过大量液氦(氦液化温度约为4 K或-269°C)。不存在足够的杜瓦瓶,超流体在非重力环境中的晃动(称为损耗)会引起很多问题。但是在1970年,斯坦福大学的一名研究生开发了一种多孔塞,该塞利用过冷流体的独特特性(称为喷泉压力)来控制氦气的蒸发(图1)。这项创新技术已成功通过GP-B的重大科学实验,其中包括非常成功的COBE(宇宙背景探索者),它研究了3K遍及整个宇宙的后体辐射,通常被认为是大宇宙的残余砰。


重力探头B

图1:这种在斯坦福大学发明的多孔塞允许蒸发的氦气从杜瓦瓶中逸出,同时将超流态液态氦保留在内部。图片:斯坦福大学)


“竞争”和GP-B


Ť他最严重的竞争GP-B的参考系拖拽“确认”来自于LAGEOS实验,其中激光测距精确追踪的两个激光地球动力学卫星绕地球飞行的路径。LAGEOS于1976年发布的首个结果表明,由于地球引力场建模存在问题,其测量误差为20%到30%。(LAGEOS是一颗真正不寻常的卫星:它重约400千克,是完全无源的,没有机载传感器或电子设备,没有活动部件,但覆盖了426个后向反射器,因此看起来像一个巨大的高尔夫球。)但是,随后的GRACE大地测量任务(于2002年启动)提供了显着改进的地球重力模型,该模型用于分析LAGEOS数据并进行了不确定性约为10%的测试。


此外,该项目还面临着激光干涉仪引力波天文台(LIGO)寻找同样由爱因斯坦预测的引力波的“竞争”。尽管检测到这些波与验证帧拖曳现象并不相同,但它们确实有某种关系,并且似乎在许多程度上似乎与两个相关的项目过多。此外,LIGO是基于地球的,因此可以进行升级,修改,维修和其他灵活性,这是轨道GP-B探测器根本无法提供的。实际上,LIGO项目非常成功,并从2015年开始最终发现了这些浪潮。这项工作获得了主要研究人员以及全世界的钦佩和敬畏,并因此获得了诺贝尔物理学奖。关于LIGO项目,有许多可读的参考资料。


GP-B是成功,失败,还是成功还是失败?这不是一个简单答案的问题。尽管它未能成功回答框架繁琐的问题,但它确实在其他类型的分析,技术和技术上取得了进步。也许GP-B团队超出了工作范围,或者他们只是无法预料到他们所需要的一切–毕竟,回顾过去并说出他们应该做或不应该做的事情很容易。毫无疑问,GP-B和以另一种方式工作的数千名科学家以惊人的精确度跨多个学科设计了一些惊人的科学和工程创新。正如拉比二世在1930年代对原子核磁矩的实验确定成为1970年代磁共振成像(MRI)发展的基础一样


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