问爱善: 我们怎样能测量空时的曲率呢？

资深撰稿人 Ethan Siegel

资深撰稿人 Starts With A Bang小组

Feb 16, 2019, 02:02am

从一声爆炸开始

  宇宙就在那里, 等待着你去发现它。

不是一个空的、空白的三维网格, 而是放下一个质量导致一直是 "直线" 的相反被一个特别的量弯曲。在广义相对论中, 我们将空间和时间处理为连续的, 但所有形式的能量, 包括但不限于质量都贡献到空时曲率。第一次我们能测量地球表面的曲率, 以及曲率是怎样随高度变化的。CHRISTOPHER VITALE OF NETWORKOLOGIES AND THE PRATT INSTITUTE

    从测量物体怎样坠落在地球上到观测月球和行星的运动, 同一的引力法则支配着整个宇宙。从伽利略到牛顿再到爱因斯坦, 我们对这个最普遍力的理解都仍然在其本身存在一些大洞的。这是唯一的不用一个量子描述的力。支配引力G的基本常数是如此鲜为人知的以至于许多人发现它很尴尬的。在爱因斯坦提出广义相对论后空时织造本身的曲率一个多世纪一直没有被测量。但这个的大部分都有急剧变化的潜力，正如我们的庇护支持者尼克·德尔罗伊意识到的那样,他问:

    你能愉快的向我们解释这是多么敬畏以及你希望未来的引力测量得出的。仪器显然是本地化的, 而我的想象力不能停止在提出这方面的应用上。

    当然, 他兴奋的大新闻是一种新的实验技术, 它首次测量了由于引力的空时的曲率。

在一个加速火箭 (左) 和地球上 (右) 同一球坠落到地板上的相同行为是一个爱因斯坦的等价原理的证明。虽然你不能告诉是否一个加速度是由引力或来自一个单一测量的任何其他加速度，但在不同的点测量加速度差异能显示是否沿加速度方向有引力梯度。WIKIMEDIA COMMONS USER MARKUS POESSEL, RETOUCHED BY PBROKS13

    想想你如何设计一个来测量太空中任何位置的引力强度的实验。你的第一本能可能是某些简单而直接的东西: 取一个静止的物体, 释放它这样它可以处在自由落体中并观察它是如何加速的。

    通过测量随时间的位置的变化, 你能重建在这个位置的加速度一定是的。如果你知道支配引力的规则------即你有正确的物理定律,像牛顿或爱因斯坦的理论一----你能用这个信息来确定甚至更多的信息。在每一点上, 你能推断引力或空时曲率的量。除此之外, 如果你知道额外的信息 (比如相关的物质分布), 你甚至能推断宇宙的引力常数G。

牛顿万有引力定律依赖于一个距离上的瞬时动作 (力) 的概念, 而且难以置信的简单。这个方程中的引力常数G以及两个质量的值和它们之间的距离是决定一个引力的唯一因素。尽管牛顿的理论后来已经被爱因斯坦的广义相对论所取代, 但G也出现在爱因斯坦的理论中。WIKIMEDIA COMMONS USER DENNIS NILSSON

    这种简单的方法是第一个用来调查引力性质的方法。在他人工作的基础上, 伽利略确定了地球表面的引力加速度。在牛顿提出他的万有引力定律之前的几十年, 意大利科学家弗朗切斯科·格里马尔迪和乔瓦尼·里乔利首次计算了万有引力常数G。

    但像这样的实验尽管它们很有价值但却受限制的。它们只能给你关于沿一个维度的引力的信息: 朝着地球中心方向。加速度是基于要么作用在一个物体上的所有净力 (牛顿) 的总和, 要么是在宇宙中的一个特定位置的空时 (爱因斯坦) 的净曲率的总和。因为你正在观察一个自由落体中的物体, 你只会得到一张简单的画面。

根据传说, 第一个来显示所有物体无论质量如何以同一速度下落是由伽利略在比萨斜塔上进行的实验。在没有 (或忽略) 空气阻力的情况下,在一个引力场中下落的任何两个物体都将以同样的加速度落到地面。这后来被编纂成文, 作为牛顿调查此事的一部分。GETTY IMAGES

    值得庆幸的是, 也有一种可以得到一幅多维的图片的方法: 执行一个随一个物体改变它的位置对引力场/势能中的变化敏感的实验。实验上这首先是在20世纪50年代由庞德-雷布卡实验完成的。

    这个实验所做到的是造成一个低海拔的核发射, 并注意相应的核吸收并没有发生在更高的海拔上, 大概是由于爱因斯坦所预测的引力红移。然而, 如果你通过把它附着在一个扬声器锥上给出这个低海拔发射器对它的速度的一个正提升，那么额外的能量就会平衡在引力场中抽出的向上传播的能量损失。因此, 到达的光子具有正确的能量并发生吸收。这是对广义相对论的经典测试之一, 证实爱因斯坦的理论与牛顿的预测不同之处。

物理学家格伦·雷布卡在哈佛大学杰斐逊塔的底端, 在著名的庞德-雷布卡实验的设置过程中给庞德教授打电话。CORBIS MEDIA / HARVARD UNIVERSITY

    今天通过使用原子钟技术我们甚至能比庞德-雷布卡实验做得更好。这些时钟是宇宙中最好的计时器, 在几十年前已经超过了最好的自然时钟--脉冲星。现在能够监测时钟到大约时钟之间的18个重要特征, 诺贝尔奖得主大卫·温兰领导的一个研究小组证明了将一个原子钟升高到另一个原子钟之上只有一英尺 (实验中大约33厘米), 造成了一个时钟记录为一秒的可测量的频率偏移。

    如果我们把这两个时钟带到地球上的任何位置, 并随我们看到了的合适的调整高度, 我们就能理解引力场是怎样作为一个高度的函数而变化的。我们不仅能测量引力加速度, 还能随我们离开地球表面测量加速度的变化。

两个原子钟甚至约1 英尺 (33 厘米)高度中的差异能导致这些原子钟运行速度中的可测量的差异。这允许我们不仅可以测量引力场的强度, 而且可以测量为一个海拔的函数的磁场梯度。DAVID WINELAND AT PERIMETER INSTITUTE, 2015

    但甚至这些成就不能映射出空间的真正曲率。下一步要到2015年才能实现: 刚好在爱因斯坦首次提出他的广义相对论100年之后。此外, 在这个过渡期间有另一个已经收获的问题, 这就是测量引力常数G的各种方法似乎给出了不同的答案的事实。

    三种不同的实验技术已被用于确定G: 扭矩平衡, 扭矩摆, 原子干涉测量实验。在过去15年中, 引力常数的测量值已经从高至6.6757 × 10^-11 N/kg²⋅m² 到低至6.6719 × 10^-11 N/kg²⋅m²不等。这个0.05% 的差异, 对于一个基本常数来说使它成为所有自然界中最可怜决定的常数之一。

1997年, 巴格利和路德的团队进行了一个扭矩平衡实验, 产生了一个6.674 x 10 ^-11 N/kg^2/m^2结果, 这被严肃的重视足以对人们先前报道的G的确定投下质疑。注意测量值中的相对大变化,甚至自2000年以来也是如此。DBACHMANN / WIKIMEDIA COMMONS

    但这是在过去4年中被多次完善的这个2 0 1 5年首次发表的新研究进来的地方。一个工作在欧洲的物理学家小组能够同时的结合三个原子干涉仪。不是只使用两个在不同高度的位置, 而是他们能够得到在这个表面上一个单一的位置三个不同高度之间的差异, 这使得你不能简单地得到一个单一的差异或甚至引力场的梯度, 而梯度是作为一个距离的函数变化的。

    当你探索引力场怎样作为一个距离的函数变化时, 你能了解空时曲率变化的形状。当你在一个单一的位置测量引力加速度时, 你对你周围的一切都敏感, 包括脚下的东西和它怎样正在移动的。测量这个场的梯度比仅仅测量一个值更有信息的，测量梯度怎样变化为你提供更多信息。

测量三个在快速序列中发射然后被激光激发来不仅测量引力加速度而且显示了以前从未被测量过的曲率中的变化的影响的原子群的实验方案图。G. ROSI ET AL., PHYS. REV. LETT. 114, 013001, 2015

    这就是使这种新技术如此强大的原因。我们不是简单地去一个单一的地方并找出引力是的。我们也不会去一个地方并找出这个力是的和这种力怎样正在随着海拔变化的。相反, 我们正在确定引力它是如何随着海拔而变化的, 以及力中的变化是如何随着海拔而变化的。

    你可能会说,"大事,我们已经知道这个物理学定律了。我们知道这些法则预测的。我为什么应该关心我们正在测量的某些证实比我们一直已经知道应该是真的稍微更好的准确性的东西呢？ "

    嗯, 有很多原因。一个是同时的对现场梯度做出多次测量允许你来消除在多个位置之间测量G的一个来源错误: 当你移动设备时诱发的误差。通过同时进行三个测量, 而不是两个测量, 你将获得三个差异(1 和2、2和3以及1和3之间), 而不仅仅是 1个 (1 和2之间)。

由于引力场中的差异, 麦加皇家钟楼的顶部始终运行速度比在基座上同一时钟的速度更快一秒的几个10^15之一。测量引力场梯度的变化提供甚至更多的信息, 使我们能够最终直接测量空间的曲率。ALJAZEERA ENGLISH C/O: FADI EL BENNI

    但另一个可能甚至更重要的原因是为了更好地理解我们正在测量的物体的引力拉力。我们知道支配引力规则的想法是正确的, 但如果我们知道所有相关到我们测量的质量的的大小和分布我们才知道引力应该是的。例如, 地球毕竟不是一个统一的结构。无论我们走到哪里我们体验的引力中有波动, 这取决于以下因素:

·   你脚下地壳的密度

·   地壳-地幔边界的位置

·   在该边界发生的等静力补偿的程度

·   地下储油层或其他密度变化的沉积物的存在或不存在

等。如果我们能够在地球上任何地方实施这种三原子干涉测量技术, 我们就能仅通过在地表进行测量来更好地了解我们星球的内部。

地球地幔中的各种地质带创造和移动岩浆室, 导致各种地质现象。外部干预有可能引发灾难性事件是可能的。大地测量学的改进可以提高我们对地球表面之下正在发生的、存在的和变化的的认识。KDS4444 / WIKIMEDIA COMMONS

    在未来, 也许有可能将这一技术推广到测量空时的曲率上, 不仅在地球上, 而且在我们可以放置一个着陆器的任何世界上。这包括其它行星、卫星、小行星等。如果我们想进行小行星开采, 这可能是最终的勘探工具。我们可以显著改进我们的大地测量实验, 并提高我们监测地球的能力。仅举一个例子,我们可以更好的跟踪岩浆室的内部变化。如果我们将这一技术应用于即将到来的航天器, 它甚至可以帮助纠正下一代引力波观测台 (如激光干涉仪空间天线或更高的) 中的牛顿噪声。

对即将到来的激光干涉仪空间天线使命至关重要的金铂金合金立方体已经在激光干涉仪空间天线探路者的概念验证被构建和测试。此图像显示激光干涉仪空间天线技术包 (ltp) 的惯性传感器头之一的组装。实验中改进的牛顿噪声计算技术可能会显著提高激光干涉仪空间天线的灵敏度。CGS SPA

    宇宙不是简单地由点质量组成的, 而是由复杂的内在的物体组成的。如果我们从来希望梳理出所有的最敏感的信号并了解今天我们所回避的细节, 我们就需要变得比以往任何时候都更加精确。由于有了三原子干涉测量法, 我们能第一次直接测量空间的曲率。

    比以往任何时候都更好地了解地球内部是我们正要来获得的第一件事, 但这只是开始。科学发现不是这场游戏的终点, 而刚好是游戏的起点。它是新应用和新技术的起点。再过几年回来，基于我们今天第一次学到的东西你可能会对什么变得可能感到惊讶的。

    发送你的问爱善问题到gmail网站的startswithabang!

    我是一位哲学博士、作者和科学传播者,在不同的大学里专业物理学和天文学。自2008年以来,我为我的从一声爆炸开始博客赢得了无数的科学写作奖,包括由博士协会颁发的《最佳科学博客》.....

  天体物理学家和作者爱善西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术和超越银河在任何售书的地方都可以买到。

  从一声爆炸开始撰稿人小组 
       从一声爆炸开始致力于探索我们对宇宙的了解以及我们怎样知道它的, 重点是物理学、天文学和宇宙告诉我们的关于宇宙本身的科学故事。由博士科学家写作并被.. 编辑创作

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