“出轨”卫星改弦测试相对论

将为迄今引力影响时间的最精确试验

伽利略GPS 卫星图片来源：ESA/J.Huart

本报讯被意外发射到错误轨道上的两颗人造卫星将改变用途，以便对阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的一项预言进行迄今为止最为严格的测试。该预言认为距离大质量物体越近，钟表的转速就越慢。

由欧洲空间局（ESA）操控的这两颗卫星于去年被一枚俄罗斯联盟号火箭错误地发射到一条椭圆形轨道上，而非之前设计的圆形轨道。这使得它们不再适合自身的预期用途，即作为被称为“伽利略”的欧洲全球导航系统的一部分。

但是这两颗伽利略卫星都安装有原子钟。根据广义相对论，时钟的“嘀嗒”声会随着卫星在其摇摆的轨道中向地球靠近而逐渐变慢，这是因为大质量行星的引力会使时空结构弯曲所致。而随着卫星离开地球远去，时钟则会越转越快。

11月9日，ESA宣布，德国柏林应用空间技术与微重力中心（ZARM）和法国巴黎天文台时空参照系统部门如今打算跟踪这种时钟的减速与加速。通过比较已知高度卫星上的时钟运行速度，研究人员将能够测试爱因斯坦广义相对论的准确性。

并未参与这项工作的加拿大温尼伯市马尼托巴大学物理学家Gerald Gwinner指出，发射太空实验需要大量的时间和金钱，所以利用偏离航向的伽利略卫星是“一个绝妙的主意”。“有时一个不幸的事故可以被转化为一些有帮助并且有趣的东西。”Gwinner说，“这是一个‘当生活给了你一个酸柠檬，那就做杯柠檬水吧’的典型案例。”

早在1976年，美国宇航局（NASA）便发射了装载着原子钟的重力探测器A，在1万公里的高空与地面上的另一部原子钟比较“嘀嗒”声。然而这架探测器在太空中只停留了不到两小时。相比之下，伽利略卫星将进行长达1年的试验——每天两次爬升并下降8500公里。

ESA表示，这项试验使科学家第一次有机会改进1976年的测量数据。该局卫星导航高级顾问Javier Ventura-Traveset表示，这将是有史以来进行的有关引力将如何影响时间流逝的最精确测量。

ESA预计最终的结果将比重力探测器A获得的数据精确4倍，从而使得该局能够以低于0.004%的精度检验理论是否与实际相符。

没有人希望爱因斯坦在100年前提出的理论会被打破——它已经通过了所有相关的测试。但Gwinner指出，尽管如此，最后的结果依然是迷人的。他说：“虽然我们不知道广义相对论能否以及在哪里会被打破，但重要的是这将大大推进人类的认知极限，并最终找到偏差的线索。并且如果能以一种省钱的方式完成这一切，那就更好了。”

ESA未来的一项试验被称为太空原子钟（ACES），预计将于2017年在国际空间站上实施，并将把爱因斯坦理论推向更大的极限，预计使精度达到0.0002%。

Ventura-Traveset强调，在此期间，伽利略卫星或许依然能够在导航上发挥作用。自从这两颗卫星被发射以来，科学家采用了一系列手段调整其错误的轨道。他说，这可能使得它们在未来能够参与伽利略系统同时进行的相对论测试，但这还没有最终确定。

广义相对论是爱因斯坦于1915年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量—动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程。（赵熙熙）