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1、,科学篇,谈广义相对论的精确验证实验,材料物理1102,理论背景General Relativity简介及应用领域实验简介及原理探测器结构探测器的运行及任务结果分析,理论大革命,Law of universal gravitation 1687,Special Relativity 1905,General Relativity,1916,广义相对论（General Relativity），是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。,爱因斯坦广义相对论基础手稿,相对
2、论离我们并不遥远,在卫星定位系统中，卫星上的原子钟要与地面的原子钟保持高度的一致。但卫星上的原子钟既受到狭义相对论的影响使时钟变快，又受到广义相对论的影响使时钟变慢，总体上每天要变慢百万分之三十八点六秒，若不校正，会导致位置偏差11千米之多。所以卫星定位系统必须要考虑相对论效应。,用引力探测器B 高精度验证General Relativity,经过年酝酿和开发，耗资7.5亿美元，于2004年4月20日发射升空。“引力探测器”将对广义相对论的两项重要预测进行验证即“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”“引力探测器B”验证旋转物体的“惯性系拖曳效应”，相当于从华盛顿观看一个放在洛杉矶的硬币产生的张角,
3、引力探测器B,主要采用4个超高精度的陀螺仪，当地球引力拖曳周围时空时，会对每个球体的轴心产生影响，以此来测量地球自身质量以及自转给陀螺仪所处时空造成的弯曲和扭曲效应,为了提供一个近乎理想的时空参照系，这些陀螺仪必须不受任何外力影响，它们以电悬浮方式保持在真空状态下旋转，每分钟转速可达万次。安置陀螺仪的容器被置于接近绝对零度的环境下，外面还有层铅保护层,陀螺仪被液氦包裹起来，处在超低温超真空的环境中,陀螺仪为乒乓球大小，它们由石英制成，经过了精心打造，号称目前人类制造出的最完美、最圆的球体。结果误差精度大大超过以前的实验结果。,重力探测器B在地球极地轨道展开后的形态,陀螺仪上的球体直径只有3.8
4、厘米，是目前最完美的球体,探测器在距地球约640千米的极地轨道上运转时，4个回转仪自转轴和一架望远镜同时对准指向飞马座的双星HR8703(将其作为导航星体)。如果地球引力不影响时间和空间，那么回转仪自转轴将一直指向初始方向。,引力探测器的任务时间表,2004年4月20日引力探测器B成功发射并进入预定极轨道。2004年8月27日引力探测器B进入科学探测阶段。在任务第129天时除四号陀螺仪的自转轴需要进行进一步准直外，全部系统都准备完毕投入数据采集工作。2005年8月15日引力探测器B完成科学探测阶段，仪器转入最终数据校正模式。,2005年9月26日校正阶段完成，恒温室中还留有液氦，航天器回到科学
5、探测模式并等待液氦完全耗尽。2006年2月数据分析第一阶段完成。2006年9月数据分析团队意识到需要做更多的误差分析，特别是关于陀螺仪的本体极迹运动，这使得数据分析的时间表延长到2007年4月之后，并使得NASA的资金提供延长到2007年底。2006年12月数据分析第三阶段完成。,2007年4月14日宣布了截止于当前所得到的最佳测量结果。弗朗西斯伊夫利特在美国物理学会四月年会上报告了一些初始测量成果：“从引力探测器B的陀螺仪测得的数据清晰地证实了理论对测地线效应的预言的误差低于1%。不过由于参考系拖拽效应要比测地线效应弱170倍，斯坦福的科学家们仍然在致力于从航天器的数据中萃取它的本征信息。”2011年5月4日，在排除各种可能的干扰后才正式宣布实验数据证实了爱因斯坦广义相对论预言的“惯性系拖曳效应”。,实际观测结果是，受地球质量导致的时空弯曲和地球自转的拖曳，回转仪自转轴方向发生了可测量的细微偏移。,牛顿平直和不变的时空与爱因斯坦弯曲和拖曳的时空,从1976年发射的引力探测器A到探测器B科学家们 经过这漫长的努力，斯坦福的大学的物理学家弗郎西斯-埃弗里特说：“爱因斯坦的理论终于得以存在！”,Imagination is more important than knowledge.-Albert Einstein,谢谢观看,
