“出轨”卫星改弦测试相对论

伽利略全球定位系统卫星图像来源:欧空局/J .胡尔特

两颗人造卫星意外发射到错误的轨道，将改变它们的用途，以便对阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论进行最严格的测试。预测认为，你离一个巨大的物体越近，时钟旋转越慢。

去年，由欧洲航天局(欧空局)控制的两颗卫星被俄罗斯联盟号火箭错误地发射到椭圆形轨道，而不是先前设计的圆形轨道。这使得它们不再适合作为欧洲全球导航系统伽利略的一部分。

但是两颗伽利略卫星都装有原子钟。根据广义相对论，当卫星以摇摆的轨道接近地球时，时钟的“滴答”声会逐渐变慢，因为大质量行星的重力会弯曲时空结构。随着卫星离开地球，时钟会转得越来越快。

11月9日，欧空局宣布，位于柏林的德国应用空间技术和微重力中心(ZARM)和位于法国的巴黎天文台时空参考系现在打算跟踪这个时钟的减速和加速。通过比较已知高度卫星上的时钟速度，研究人员将能够测试爱因斯坦广义相对论的准确性。

没有参与这项工作的加拿大温尼伯马尼托巴大学的物理学家杰拉尔德·格温内指出，发射空间实验需要大量的时间和金钱，因此偏离轨道使用伽利略卫星是“一个绝妙的主意”。"有时候，一次不幸的事故可以变成有益和有趣的事情."格温内说，“这是一个典型的例子，当生活给你一个酸柠檬，做一杯柠檬水。"

早在1976年，美国宇航局就发射了一个装有原子钟的重力探测器。在10，000公里的高度，它将“滴答”与地面上的另一个原子钟相比较。然而，探测器在太空停留了不到两个小时。相比之下，伽利略将进行为期一年的实验——每天攀登两次，下降8500公里。

欧空局表示，这项实验给了科学家们第一次改进1976年测量数据的机会。该机构的高级卫星导航顾问哈维尔·文图拉-特拉维斯特(Javier Ventura-Traveset)表示，这将是有史以来对重力如何影响时间流逝的最精确测量。

欧空局预计最终结果的精确度是重力探测器A获得的数据的四倍，从而使该机构能够以低于0.004%的精确度检查理论是否与现实相符。

没有人希望100年前提出的爱因斯坦理论会被打破——它已经通过了所有相关的测试。但是格温内指出，尽管如此，最终的结果仍然令人着迷。他说:“虽然我们不知道广义相对论是否会被打破，在哪里会被打破，但重要的是，它将极大地推进人类的认知极限，并最终找到偏离的线索。如果所有这些都能够以经济高效的方式完成，那就更好了。”

欧空局未来的测试名为空间原子钟(ACES)，预计将于2017年在国际空间站进行，并将把爱因斯坦的理论推向一个更高的极限，预计精确度为0.0002%。

文图拉-特拉维斯特强调，在此期间，伽利略卫星可能仍能在导航中发挥作用。自从两颗卫星发射以来，科学家们已经采用了一系列方法来调整它们错误的轨道。他说，这可能使他们能够在未来参与伽利略的同步相对论测试，但这还没有最终确定。

广义相对论是爱因斯坦的引力理论，发表于1915年，用几何语言描述。它代表了现代物理学中对引力理论的最高研究水平。广义相对论把经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架内，并在此基础上应用等价原理建立起来。在广义相对论中，引力被描述为空间和时间的几何性质(曲率)。时空曲率与时空中的物质和辐射的能量动量张量直接相关，其联系是爱因斯坦引力场方程。(赵茜·Xi)

中国科学新闻(2015-119，第二版国际)

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