在经历了40年的研发,耗资6.5亿美元之后,美国航空航天局(NASA)的“引力探测器B”(Gravity Probe B)已经准备好发射了。爱因斯坦的理论将会得到验证吗?

乍看之下,“引力探测器B"像是一个传奇故事。大胆的科学家和工程师花费了40年的时间,与技术和政治上的困难作斗争,最终完成了这一计划。这个项目是NASA历史,上研发时间最长的一个。一些观察家认为这是对金钱的巨大浪费,而且NASA也曾经至少3次取消了这个计划。但是美国国会总有办法让它起死回生。尽管2003年11月又再次推迟了“引力探测器B”的发射时间,不过可以确定的是“引力探测器B”将于2004年上半年被发射。

即使是最苛刻的评论家也不得不承认“引力探测器B”设计上的精湛和胆大。“引力探测器B”将使用有史以来最灵敏的陀螺仪,当以640千米高的轨道通过地球两极的时候,它将会验证爱因斯坦广义相对论的两大预言:一个大质量天体(例如地球)会使得其周围的时空弯曲,并且它会拖曳着时空与之一起旋转。目前这两个预言还没有从实验上被证明,至少在“引力探测器B”测量的精度上还没有。无论这两个预言被证实还是被证否都将会对物理学产生深远的影响。

极端的要求

“引力探测器B”的历史可以追溯到1960年,当时斯坦福大学]的物理学家伦纳德 · 希福(Leonard Schiff)及其同事提出可以使用陀螺仪来检验“坐标系曳引(frame-dragging)"效应。他们设想,让轨道上的望远镜和4个陀螺仪同时对准一颗恒星。如果像爱因斯坦的理论所预言的那样,坐标系曳引效应作用于陀螺仪上,那么在一年的时间里它们自转轴的指向会发生稍稍的偏离,这使得物理学家可以以1%的精度来测量它们的变化。

到1964年,NASA提供了少量的项目经费。计划使用石英球,通过电场将其悬挂在陀螺仪的中心,使之可以在真空中自由的旋转。这一设计要求一个用于盛放超流氦的极低温容器,以及对探测器姿态极端细致的调整装置一对于“引力探测器B”而言,一切都必须是“极端的”。之后20年的技术进步已经使得NASA可以进行一次测试飞行了,如果不计算航天飞机的成本,整个项目的开销为1.3亿美元。

但是到^了80年代后期,由于“挑战者号”的失事,NASA的预算严格依赖于美国科学院的“十年展望”评估。此时,一个昂贵的引力物理学实验显然是不切实际的。即使到了今天,“引力探测器B"是否能在与其他空间计划的竞争中胜出仍然是个未知数,芝加哥大学的天体物理学家埃根 · 帕克(Eugene Parker)如是说,1991年他负责对这个项目进行评估。

1989年NASA取消了“引力探测器B”,1993年第二次取消,1995年第三次取消。尽管没有人指望斯坦福大学物理学家、从1981年起就担任“引力探测器B”项目主管的弗朗西斯 · 埃福瑞特(Francis Everitt)的政治能力,但是一个国会议员说,正是由于埃福瑞特不停的游说,从州议员到联邦议员,才使得每次NASA取消“引力探测器B"计划时,他总能让它起死回生。

与此同时,整个项目的耗资也在节节攀升,部分原因是技术上的困难,另外斯坦福大学的项目管理者也抱怨NASA没有提供足够的资金来用于解决技术上的难题。由于多种多样的原因,发射时间一再地向后推迟,到2003年末为止,这个项目的总耗资已经到了6.5亿美元。

另外,这个项目的科学意义也在打折扣。1997年天文学家使用“罗希X射线时变探测器”(Ross X-Ray Timing Explorer)发现了黑洞周围坐标系曳引的间接证据,一年之后基于LAGEOS测地卫星的观测数据,又粗略地测量到了地球的坐标系曳引效应,这一结果的精度达到了20%。但是未来LAGEOS的精度将达到5%,直逼“引力探测器B”的精度。不得不承认近几年来“引力探测器B"的科学价值正在受到侵蚀。

2002年末,在探测器地面测试失败之后(这一失败是由于保险丝的一个小问题所造成的),NASA的空间科学主管埃德 · 维勒(Ed Weiler)要求对该项目的科学价值和技术上的可实现性进行再一次的评估。在2003年3月份的一次会上,维勒抱怨说:“我真不知道它是否以及何时会发射。”并且他威胁如果不通过评估,他将取消这个计划。但是“引力探测器B”再一次通过了评估。

几年来,所有的评估报告都沿袭了这样模式:必须承认这个项目是饱受争议的,而且在技术上是有挑战性的,但是结论是这个计划应该继续。普林斯顿大学的物理学家、诺贝尔奖得主瓦尔 · 菲奇(Val Fitch)负责了1995年对该计划的评估工作,他说,在这个项目上已经投入了大量的资金,而且现在最大的技术障碍也已经被克服,如果这个计划被终止,那将是错误的。但是他也说,这一观点并没有得到全部认同,一些评估委员会的成员认为“引力探测器B”的结果可能会偏离爱因斯坦的预言,然而反对者则认为,如果你已经对预言的结果充满信心,那又何必实施这一计划呢?

关注成本

这一切都已经成为了过去,即使是几年前曾有取消“引力探测器B”计划的维勒也说:、“我希望一次成功的发射和一个成功的计划。

”他现在关注的是防止其他项目重蹈“引力探测器B”的覆辙,陷入预算的泥潭,最好是在无法收拾之前全身而退。他说:“我宁愿一个项目在花了100万美元之后被取消,而不是花了4亿美元之后。

这一新的问题也出现在了计划2004年5月份发射探测水星的“信使”项目上。“信使”项目是NASA行星“发现”计划的一部分,由约翰 · 霍普金斯大学应用物理实验室负责。当它的耗资从120万美元上升到3亿美元的时候,维勒曾经打算彻底取消这个项目。

但是之后他询问评估委员会,如果“信使”具有足够的科学价值的话,是否可以追加一部分的资金。委员会对他的询问并不感到吃惊。维勒说,一个肯定的回答将会削减“发现”计划中其他项目的资金。最终“信使”还是得以保全了。

维勒说,NASA也吸取了教训,技术上的疏忽会诱发潜在的问题。“发现”计划将要追加20%-25%的预算,而其他大型项目,例如哈勃空间望远镜的后继者詹姆斯 · 韦伯望远镜,则将会在发射之前花费更多的钱用于技术研发和评估。

意识到预算的流失是一回事,控制它又是另一回事——特别是NASA现在项目的技术要求越来越高。悲观的观察家发现灾难正在降临,NASA的火星探测计划过分扩张,使得一些小项目举步为艰,其中一些将不可避免地面临被取消的命运。

欧洲空间局(ESA)也面临着类似的问题。由于“无法追加预算以及其他的原因”,ESA取消了用于搜寻太阳系外行星的“爱丁顿”计划。

“引力探测器B”不在被NASA取消的项目名单上,维勒可以欣慰的是,有关的争议已近结束,“引力探测器B”不会再吞食NASA更多的资金了。技术上的进步也许将最终带来回报,“引力探测器B”可能会发现一些真正有价值的东西。

埃根 · 帕克说:“我希望这个计划能成功。”他深知外界对这个计划的评论,但是他还是认为有必要验证广义相对论。宇宙学已经延伸到了各个方向,从暗能量到弦理论,所有这些方向都或多或少地依赖于爱因斯坦的方程。在埋头探索未知的领域之前,帕克说:“我们绝对有必要搞清楚手头上的这些理论的正确性。”

爱因斯坦没能等到NASA来检验他的理论的这一天。早在1919年,天文学家就在日全食中观测到了星光的偏折,验证了广义相对论的一个重要的预言。爱因斯坦的理论看起来没有什么问题,但是就在1919年日全食的当晚,年轻的物理学家马克斯 · 普朗克彻夜未眠。他想知道相对论是否得到了验证,他说:“如果我真的懂得这个理论的话,我就会像往常一样上床睡觉了。”