重力探测器B通过艺术将爱因斯坦的理论引入生活

　　艺术家最基本的特征之一是能够弥合想象和插图之间的鸿沟，甚至能将最深奥和形而上学的概念引入生活。科学家和工程师对这一过程的理解非常透彻，他们努力使新的理论、实验和技术得以存在。
　　这一过程的显著例子是艺术家巴伦·斯托里(Barron Storey)在20世纪80年代末试图将斯坦福大学重力探测器B团队的想法公之于众。
　　重力探测器B是什么？
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　重力探测器B于2004年4月20日在加利福尼亚州的范登堡空军基地由德尔塔Ⅱ7920发射升空，是斯坦福大学和美国宇航局(NASA)的合作项目，旨在通过测量4个陀螺仪转向地球旋转方向的微小变化验证爱因斯坦广义相对论的两个重要预测，即时间和空间不仅会因地球等大质量物体的存在而弯曲，大质量物体的旋转还会拖动周围时空结构发生扭曲，这两项预测分别被称为＂恻地效应＂和＂结构拖曳＂。
　　2004年8月24日，重力探测器开始科学运行并持续50个星期。飞行器传回多于1000吉字节的数据。因为液体氦耗尽，数据收集工作在2005年9月29日结束。
　　爱因斯坦与广义相对论
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　爱因斯坦的广义相对论深深植根于19世纪和20世纪早期的理论和实验的大框架中。他自己1905年的狭义相对论确立了光速作为信号传播的上限，并打破了牛顿的绝对空间和绝对时间的概念。
　　理论和实验背景
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　重力探测器B本质上是NASA执行的一项借助陀螺仪的相对论性实验。这项实验的主要研究人员是斯坦福大学的物理学家，并主要由洛克希德·马丁公司承包完成。之所以命名为引力探测器B，是因为它被看作是第二个在太空中进行的引力实验，这是相对于1976年发射的引力探测器A而言的。
　　这项任务包括对地球引力场中的两种广义相对论效应进行测量：参考系拖拽和测地线效应。这两种效应在此之前还未曾被精确测量过，至少从没有达到过这次引力探测器B所预计将达到的精确量级。
　　奥纳德·希夫与重力探测器B的诞生
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　重力探测器B的概念最初来源于麻省理工学院教授乔治·普克（George Pugh），他当时（1959年）在美国国防部工作；其后（1960年）在普克的建议下，斯坦福大学当时的物理系主任列奥纳德·希夫（Leonard Schiff）对这一概念进行了讨论。1961年这一建议被提送到NASA，1964年NASA批准了这个提议的研究资金。
　　四个陀螺仪
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　重力探测器B的主要装备是4个超高精度的陀螺仪，稳定性是最好的导航陀螺仪的一百万倍。当重力探测器B在距离地球约640km的极地轨道上运转时，4个陀螺仪自转轴同时对准遥远恒星——IM Pegasi。观测结果是，由于受地球引力拖曳，陀螺仪自转轴方向发生了可测量的细微偏移，从而证实了爱因斯坦的理论。
　　超导性与SQUIDs
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　读取一个完美圆形物体的自旋方向，给斯坦福大学的实验人员带来了一个复杂而关键的问题。要解决这个问题，就需要开发一种方法来观察或＂读出＂陀螺仪的旋转方向与时空的曲率和旋转的关系。
　　望远镜和石英块
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　随着陀螺仪将它们的自旋方向传送给超导量子干涉仪(SQUIDs)，科学家仍然需要一些东西作为陀螺仪自旋方向的参考点。解决方案是一个14英寸长的熔融石英望远镜，其5.6英寸的孔径与导星IM Pegasi的相对照。
　　杜瓦瓶和液态氦
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　将实验有效载荷保持在1.8开尔文附近的任务落在一种称为杜瓦瓶的真空夹套装置上。之所以要求接近绝对零度的环境是使分子间运动产生的扰动最小化的要求，同时能使构成陀螺仪组件的铅和铌具有超导电性。
　　航天器和轨道
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　完全集成的重力探测器B全长5米，直径1.6米，是飞行器与实验完全同步的杰出例子。轨道为640公里×646公里(390英里×401英里)，倾角90°。
　　关键技术和衍生产品
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　为了将Schiff的想法变成现实，重力探测器B团队需要发明和验证物理学和工程学方面的几项新技术。一个例子就是多孔塞——一种设计用来控制超流氦在进入轨道后从杜瓦瓶的出口逸出的装置。
　　准备发射
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　早期几十年的发展见证了在概念开发、技术设计和原型生产领域的大部分工作。然而，随着重力探测器B在20世纪80年代中期进入NASA的飞行计划，管理人员采纳了＂增量原型＂的概念。这种方法要求快速开发和测试硬件。
　　团队成员
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　重力探测器B最重要的方面是一个过程长期的首席研究员，弗朗西斯·伊夫利特(Francis Everitt)博士被称作跨学科的发明者。NASA曾经出于考虑三度取消了这一计划，分别是在1989年、1993年和1995年。然而它之所以能够延续至今，很大程度上要归功于斯坦福大学的物理学家弗朗西斯·伊夫利特在其中所作的政治斡旋。
　　结果和影响
　　图片来源：Stanford University/Barron Storey
　　自2004年4月20日发射后，重力探测器B于2004年8月28日开始收集数据，并于2005年8月14日结束。引力探测器B的最初结果证实了广义相对论所预言的测地线效应的精确度达到了误差小于1%，而所期望的参考系拖拽效应的信号强度则和当前的噪声强度处于同一量级。
　　NASA在2011年5月4日发布消息称，该局2004年发射的重力探测器B已经证实了爱因斯坦广义相对论的两项关键预测。这项研究成果已被美国《物理评论通讯》杂志接受并发表。
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