探測相對論的重力效應

探測相對論的重力效應
知識通訊評論第52期

因為衛星儀器操作的問題，造成了相對論測試結果的問題。

兩個預料之外的效應，使得設計用來量測重力微隱效應的不合實際的衛星計畫受到襲擾；不過領導研究計畫的科學家很樂觀，表示他們仍然能夠從資料中萃取出相當多的研究發現。

據美國加州史丹佛大學物理學家艾佛瑞特 (Francis Everitt) 表示，這些問題使得被稱為「重力探測 B 衛星」 (Gravity Probe-B) 的研究結果，要延遲到二○○七年春天才能出爐。

「重力探測 B 衛星」是設計用來探測一種稱為「結構拖曳效應」 (frame dragging) 的微小重力效應。根據愛因斯坦的廣義相對論，像地球這樣打轉的質量體，會像個打蛋器一樣，將附近的時空都拖曳進來；「重力探測 B 衛星」希望透過四顆連接到望遠鏡上，幾乎完全成球體的陀螺儀，探測到這個效應。望遠鏡已針對一顆指引恆星作過校準，陀螺儀則設定為旋轉狀態；既然衛星對準該恆星，拖曳效應理應會使陀螺儀傾斜，以極小的幅度偏離軸心，偏離幅度大約每年零點零零零零一一度。

從概念形成到進入軌道，「重力探測 B 衛星」一路走得異常漫長。這個計畫在一九六四年，以 NASA 給它還算不少的資金開始起步，但是計畫所需的高精度儀器，花了大約二十年才發展出來；一九八六年挑戰者號太空梭失事的災難，更進一步延宕了原先規劃好要登上太空梭的探測衛星發射時程。歷經數次計畫差點遭到取消的危機之後，這枚衛星終於在二○○四年四月升空，但它已經耗費了七億美元；另一項計畫 Lageos 則搖身一變，成為第一個量測結構拖曳效應的衛星。

在初步校正階段過去之後，「重力探測 B 衛星」蒐集了一年份的資料，在二○○五年九月完成任務。預計二○○六年夏天就該有資料出爐，卻遲遲未能宣布。

這是因為有兩項料想不到的效應，籠罩於該團隊的結構拖曳效應研究結果上面。首先是由陀螺儀的一些微小瑕疵，與其旋轉速度漸趨緩慢的效應結合，所製造出來的輕微循環性擺盪。「重力探測 B 衛星」的科學家們預料到會有這種擺盪，他們的計算已排除掉擺盪週期會改變的可能性，但是實際上卻發生了。艾佛瑞特說，大自然會自行其道，才不管你怎麼計算。

另一個問題在於四個陀螺儀的轉矩。每當衛星上的望遠鏡偶爾錯過校準指引恆星，扭力就會變向，這似乎與探測衛星許多組件之間的微小電場有關聯性。直到衛星完成蒐集資料的工作之後，研究團隊才發現這個效應，目前正試著解開它與研究結果的糾結。這個問題在去年夏天時似乎相當嚴重，不過艾佛瑞特表示，他們現在正在研究一套「非常優雅」的解決辦法。

目前還不清楚這些問題會對任務結果有如何的影響。德國波茨坦馬克斯蒲朗克重力物理學研究中心的舒茲 (Bernard Schutz) 表示，「重力探測B 衛星」的研究團隊保密到家，計畫以外沒人知道他們是否夠瞭解這些效應，並且好好進行量測，以達到原先的目標。

原先的目標是要將結構拖曳效應測量到誤差值達百分之一以內，這比起 Lageos 計畫的研究結果精確十倍。擔任此計畫在 NASA 的科學顧問委員會主席，曾經聽取過該研究團隊簡報的美國聖路易市華盛頓大學物理學家威爾 (Clifford Will) ，表示他樂觀地認為會有某種結果出爐，不過其結果是不是他們先前承諾 NASA 要做到的，可就不得而知了。

艾佛瑞特表示，他的團隊會在二○○七年四月的美國物理學會會議上，宣布最終版本的研究結果。他說他仍然擔心是否能夠做出一份有意義的研究發現，事關七億美元，大家當然不會掉以輕心；不過在沒有充分的信心之前，他不願發表談話。