物理

廣義相對論又贏了

發射失誤的伽利略衛星,再度驗證愛因斯坦的重力理論。

撰文/甘農(Megan Gannon)
翻譯/宋宜真

物理

廣義相對論又贏了

發射失誤的伽利略衛星,再度驗證愛因斯坦的重力理論。

撰文/甘農(Megan Gannon)
翻譯/宋宜真


2014年8月,一枚火箭發射,把伽利略(Galileo)全球導航系統的第五和第六枚衛星帶上太空。這是歐盟耗費110億美元、獨立於美國全球定位系統(GPS)的計畫。不過,當他們發現衛星沒有被放到高度穩定的圓形軌道上,而是錯誤的「宇宙公車站」時,歡慶的心情急轉直下。衛星被困在橢圓軌道中,無法用於導航。


然而,這次事故為基礎物理實驗提供了難得的機會。分別由法國巴黎天文台的德爾瓦(Pacome Delva)以及德國不來梅大學的赫曼(Sven Herrmann)所領導的兩個獨立研究小組,便藉由監測這兩枚錯置的衛星,尋找愛因斯坦廣義相對論中的漏洞。


未參與這項研究的加拿大安大略省基輔大學物理學家帕松(Eric Poisson)評論:「廣義相對論仍然是對重力最準確的描述,到目前為止,它還禁得起大量實驗和觀測的考驗。」儘管如此,物理學家還未能整合廣義相對論以及在極小尺度下解釋能量與物質現象的量子力學。帕松說:「正是這個原因,讓我們懷疑重力並不是愛因斯坦所說的那樣。他的版本可能是很好的近似,但還有很多細節需要處理。」


廣義相對論預測,靠近大質量物體的時鐘會走得較慢,這意味著地球表面上的時鐘會走得比人造衛星上的時鐘慢;這種時間膨脹就是所謂的重力紅移。來自這種模式的任何微妙偏差,都可能為物理學家提供新理論的線索,用於統一重力和量子物理。


即使伽利略衛星已移動到比較接近圓形軌道的位置,每日仍經歷兩次攀升又滑落、約8500公里的過程。三年來,德爾瓦和赫曼的團隊觀測由此產生的重力紅移如何改變衛星超精細原子鐘的頻率。在1976年重力紅移測試中,搭乘火箭發射到太空的「重力探測-A」次軌道探測器,就搭載了原子鐘。研究人員發現,廣義相對論以1.4×10-4的不準度預測了時鐘的頻移。


新研究的成果發表在去年12月的《物理評論通訊》,再度確認廣義相對論的預測,並且把精準度提高了5.6倍。因此就目前而言,這項屹立了百年的理論,地位仍十分穩固。