會員登錄
伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（圖片來源：歐洲航天局）
上世紀(jì)末，歐盟開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)也是要與過去由美國軍方所研制的GPS分庭抗禮。
歐洲航天局計劃在2020年前后完成整個系統(tǒng)全部30顆定位衛(wèi)星的發(fā)射。但是在2014年的時候，伽利略系統(tǒng)第5、第6顆衛(wèi)星的發(fā)射卻出現(xiàn)了問題。這兩顆衛(wèi)星沒有按照既定的路線進入軌道，而是在錯誤的位置上被拋下。
衛(wèi)星定位系統(tǒng)是通過推算衛(wèi)星的位置來確定地面上點的坐標(biāo)。衛(wèi)星需要進入到穩(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。因此如果要進行補救，科學(xué)家就必須想出辦法調(diào)整其運行軌道，但顯然這項工作的難度頗高。
廣義相對論預(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)（圖片來源：見參考文獻(xiàn)）
不過最近，一些科學(xué)家卻從中發(fā)現(xiàn)了可供研究的關(guān)鍵點。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)愛因斯坦的廣義相對論，不同的距離會形成不同的引力場，進而形成不同的時間差。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證廣義相對論的實驗機會。
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發(fā)出的電磁波來計時的裝置。原子鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于日常所使用的時鐘，因此它廣泛地應(yīng)用在航海、航空、航天等項目中。實際上時間單位“秒”的物理學(xué)定義也是來源于此，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)廣義相對論，在引力場中的物體，其周圍的時間會變慢。此前，科學(xué)家也曾經(jīng)發(fā)射過重力探測器進行相關(guān)的研究，但持續(xù)時間不過幾個小時，數(shù)據(jù)的精確度十分有限。而借由此次利用衛(wèi)星的機會，研究人員可以進行更加長久的觀測。通過衛(wèi)星上高精度原子鐘提供的數(shù)據(jù)，研究人員就可以進一步驗證廣義相對論的準(zhǔn)確性。
利用實驗驗證廣義相對論的機會通常很少（圖片來源：pixabay）
2018年，在經(jīng)過連續(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，研究人員通過地面點推算出衛(wèi)星的位置，再通過公式計算得出時間，最后與衛(wèi)星上實際測得的時間進行比較。1976年美國航天局的測算結(jié)果以1.6%的精確度證明了愛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論至今仍未過時，還將過去實驗的精確度提高了五倍以上。
在過去，已經(jīng)有各種現(xiàn)象和實驗完全符合愛因斯坦當(dāng)初所作的預(yù)言。但是隨著時間推移，理論物理學(xué)家們至今未能將廣義相對論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來，因此人們依舊會對它產(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，要通過實驗驗證廣義相對論通常來說費時費力。自1976年的結(jié)果以來，科學(xué)家也很難有機會去提高測算的精確度。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實驗，或許也給后來的研究者帶來新的研究思路。未來的時間里，研究人員還將繼續(xù)向更嚴(yán)苛的檢驗挑戰(zhàn)。
關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識
- 參加最新科普活動
- 認(rèn)識科普小朋友
- 成為科學(xué)小記者
