用兩顆發射失敗的衛星，檢驗廣義相對論

知識 03-06

撰文 | 梅甘·甘農（Megan Gannon）

翻譯 | 羅廣楨

2014年8月，一枚火箭以「一箭雙星」的方式將「伽利略」全球導航系統的第五顆和第六顆衛星送入太空，該系統由歐盟斥資110億美元建造，對標美國GPS全球定位系統。但是發射成功的喜悅很快被失望代替：衛星在太空中錯誤的站點下了車，它們並未按計划進入高度穩定的圓周軌道，而是在無法發揮導航功能的橢圓軌道上無奈遊盪。

然而，這次失敗卻為一項基礎物理實驗提供了寶貴的機會。兩支獨立的研究團隊——一支由法國巴黎天文台的帕科姆·德爾瓦（Pac?me Delva）領導，另一支由德國不萊梅大學的斯文·赫爾曼（Sven Herrmann）帶領——希望通過監測這兩顆不走尋常路的衛星，尋找愛因斯坦廣義相對論中可能存在的缺陷。

「廣義相對論一直是對引力最精確的描述，迄今為止經受住了大量實驗和觀測的檢驗，」加拿大安大略省貴湖大學的物理學家艾瑞克·普瓦松（Eric Poisson，並未參與這項新研究）說。雖然如此，物理學家們一直沒能將廣義相對論與量子力學統一起來，後者在極小尺度上解釋能量和物質的性質。「無法統一兩種理論的現象，讓我們懷疑愛因斯坦對引力的解釋，」普瓦松解釋說，「也許他的理論只是接近了，但並沒有還原真相的全貌。」

愛因斯坦預言，在一個有質量的物體附近時間流逝的更慢一些，這意味著在地球表面的時鐘相對繞軌運行的衛星上的時鐘會走得更慢些。這種時間膨脹現象被稱為引力紅移。任何有別於該模式的細微偏差都有可能為物理學家建立統一引力與量子物理學的新理論提供線索。

即使在「伽利略」衛星被推進到更接近圓周軌道的位置後，它們與地球間距離的變化依然為每兩天8500千米左右。在為期3年的研究中，德爾瓦和赫爾曼團隊觀察了引力變化如何影響衛星上搭載的高精度原子鐘。

在1976年的引力紅移實驗中，當重力探測器（一枚搭載了原子鐘的亞軌道火箭）被送入太空後，研究人員根據廣義相對論預測原子鐘的頻移在140ppm以內。2018年12月刊登在《物理評論快報》上的這項新研究再次驗證了愛因斯坦的預測——並將精度提高了5.6倍。直到今天，這個在百年前創立的理論依舊穩固如山。