伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（圖片來(lái)源：歐洲航天局）

　　上世紀(jì)末，歐盟開(kāi)始研制一套以意大利著名天文學(xué)家伽利略命名的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)被稱作是歐洲版的GPS（全球定位系統(tǒng)），它的目標(biāo)也是要與過(guò)去由美國(guó)軍方所研制的GPS分庭抗禮。

　　歐洲航天局計(jì)劃在2020年前后完成整個(gè)系統(tǒng)全部30顆定位衛(wèi)星的發(fā)射。但是在2014年的時(shí)候，伽利略系統(tǒng)第5、第6顆衛(wèi)星的發(fā)射卻出現(xiàn)了問(wèn)題。這兩顆衛(wèi)星沒(méi)有按照既定的路線進(jìn)入軌道，而是在錯(cuò)誤的位置上被拋下。

　　衛(wèi)星定位系統(tǒng)是通過(guò)推算衛(wèi)星的位置來(lái)確定地面上點(diǎn)的坐標(biāo)。衛(wèi)星需要進(jìn)入到穩(wěn)定的圓形軌道中才能正常施展其導(dǎo)航功能。而發(fā)射失敗的這兩顆衛(wèi)星，被迫留在了橢圓軌道上。因此如果要進(jìn)行補(bǔ)救，科學(xué)家就必須想出辦法調(diào)整其運(yùn)行軌道，但顯然這項(xiàng)工作的難度頗高。

　　廣義相對(duì)論預(yù)言的引力紅移效應(yīng)奠定了衛(wèi)星定位技術(shù)的基礎(chǔ)（圖片來(lái)源：見(jiàn)參考文獻(xiàn)）

　　不過(guò)最近，一些科學(xué)家卻從中發(fā)現(xiàn)了可供研究的關(guān)鍵點(diǎn)。在橢圓軌道上的衛(wèi)星正好可以每天與地球保持不同的距離。而根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，不同的距離會(huì)形成不同的引力場(chǎng)，進(jìn)而形成不同的時(shí)間差。發(fā)射失敗的這兩顆衛(wèi)星，正好提供了一次千載難逢的驗(yàn)證廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。

　　首先，定位衛(wèi)星均配備有高精度的原子鐘。原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來(lái)計(jì)時(shí)的裝置。原子鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于日常所使用的時(shí)鐘，因此它廣泛地應(yīng)用在航海、航空、航天等項(xiàng)目中。實(shí)際上時(shí)間單位“秒”的物理學(xué)定義也是來(lái)源于此，原子鐘最初是為了研究理論物理而發(fā)明的?，F(xiàn)在兩顆不能進(jìn)行導(dǎo)航的衛(wèi)星，反而可以發(fā)揮出原子鐘原本的作用。

　　根據(jù)廣義相對(duì)論，在引力場(chǎng)中的物體，其周圍的時(shí)間會(huì)變慢。此前，科學(xué)家也曾經(jīng)發(fā)射過(guò)重力探測(cè)器進(jìn)行相關(guān)的研究，但持續(xù)時(shí)間不過(guò)幾個(gè)小時(shí)，數(shù)據(jù)的精確度十分有限。而借由此次利用衛(wèi)星的機(jī)會(huì)，研究人員可以進(jìn)行更加長(zhǎng)久的觀測(cè)。通過(guò)衛(wèi)星上高精度原子鐘提供的數(shù)據(jù)，研究人員就可以進(jìn)一步驗(yàn)證廣義相對(duì)論的準(zhǔn)確性。

　　利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證廣義相對(duì)論的機(jī)會(huì)通常很少（圖片來(lái)源：pixabay）

　　2018年，在經(jīng)過(guò)連續(xù)3年的觀察與分析后，研究人員得出了最終的結(jié)果。與定位導(dǎo)航的原理相反，研究人員通過(guò)地面點(diǎn)推算出衛(wèi)星的位置，再通過(guò)公式計(jì)算得出時(shí)間，最后與衛(wèi)星上實(shí)際測(cè)得的時(shí)間進(jìn)行比較。1976年美國(guó)航天局的測(cè)算結(jié)果以1.6%的精確度證明了愛(ài)因斯坦理論的正確性。此次新的結(jié)果不僅再一次表明了廣義相對(duì)論至今仍未過(guò)時(shí)，還將過(guò)去實(shí)驗(yàn)的精確度提高了五倍以上。

　　在過(guò)去，已經(jīng)有各種現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)完全符合愛(ài)因斯坦當(dāng)初所作的預(yù)言。但是隨著時(shí)間推移，理論物理學(xué)家們至今未能將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，因此人們依舊會(huì)對(duì)它產(chǎn)生懷疑。這也是為什么科學(xué)家要不斷地尋找廣義相對(duì)論可能存在的漏洞的原因，終極的答案仍在等待發(fā)現(xiàn)。

　　在理論物理學(xué)領(lǐng)域，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證廣義相對(duì)論通常來(lái)說(shuō)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。自1976年的結(jié)果以來(lái)，科學(xué)家也很難有機(jī)會(huì)去提高測(cè)算的精確度。而這一次，研究人員利用發(fā)射失敗的兩顆衛(wèi)星，成功完成了精度更高的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，或許也給后來(lái)的研究者帶來(lái)新的研究思路。未來(lái)的時(shí)間里，研究人員還將繼續(xù)向更嚴(yán)苛的檢驗(yàn)挑戰(zhàn)。



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