弗朗西斯 · 艾弗里特(Francis Everitt)1934年出生在英国肯特郡的塞文奥克斯。继获得物理学学位之后,他于1960年在英国帝国理工学院又获得古地磁学博士学位。后来他重操物理学,来到美国宾夕法尼亚大学从事液态氮研究。期间,他利用极低温陀螺仪对爱因斯坦广义相对论进行了敏感性测试。当艾弗里特1962年转到斯坦福大学任教后,验证爱因斯坦的理论成为他的主要研究工作(重力探测器B实验就是在那儿诞生的)。作为斯坦福大学的物理学教授,他写下了90多篇论文和一部关于詹姆士 · C · 麦克斯韦(James Clerk Maxwell)的传记。今年4月,《新科学家》杂志对艾弗里特进行了专访,以下是这次访谈的内容。

记者:2004年4月19日,当“重力探测器B”发射的那天您在哪儿?

艾弗里特:在发射现场的控制室里。

记者:运载火箭必须在极其精确的时刻发射,以便重力探测器B进入正确的轨道。您是否担心其一生的心血在顷刻之间泡汤?

艾弗里特:非常担心。发射原计划在前一天进行,但在发射前3分钟时被中止了。如果倒计时再继续一分钟的话,就没有人能阻止此次发射。

记者:当发射被中止时,您有什么样的感受?

艾弗里特:很扫兴。但也许不是一件特别坏的事情,因为它给每个人生动地排演了一场必然要发生的事情。因此,到了真正发射时就平静多了。在最后的倒计时过程中,我隐约有一种感觉,这一次一定会万事大吉。

记者:最终您是什么时候放下心了呢?

艾弗里特:当“德尔塔2号’运载火箭与重力探测器B分离,而且火箭上的摄像机显示探测器的太阳能电池板完全展开的时候。因为过去有很多的航天器因太阳能电池板故障而前功尽弃。说不定它也会出现那种情形。

记者:那么重力探测器B的工作现状怎样呢?

艾弗里特:我们于去年8月27日开始了这项研究的科学实验阶段,我们一直在获得数据。

记者:有初步结果了吗?

艾弗里特:在完成所有的调试之前,一切都是未知数。尽管如此,我们还是清楚走到了哪一步记者:是什么使您对验证爱因斯坦的相对论产生了兴趣?

艾弗里特:记得我父亲曾在餐桌上谈论过爱因斯坦《相对论的意义》一书。那时我还只有12岁,我不明白我们是在讨论一个极其重要的物理学问题,即量子物理学和相对论之间的不相容性。大约到了17岁的时候,我才逐渐明白并选择了物理学专业。

记者:但您的早期研究不是地磁学和板块构造学吗?

艾弗里特:我在英国帝国理工学院曾获得物理学学位,并决定攻读博士学位。对我来说,专业的选择是随意作出的。在与某教授探讨后最终喜欢上了他们在做的事情。我的指导老师是诺贝尔奖获得者帕特里克 · 布莱克特(Patrick Blackett),他主要研究宇宙射线。但在第二次世界大战之后,他对磁力学产生了兴趣,并发明了可用于测量小磁场的高灵敏度磁力计。布莱克特认识到他的磁力计可用来测量水成岩中的磁力。我们的小组和剑桥的另一个小组都开始把目标集中于其磁力尚未被研究过的岩石上。结果,我们成了大陆漂移研究和古地磁学研究的先头部队。

记者:那么您为什么要变换研究领域呢?

艾弗里特:5年时间过去了,这时你不得不在地质学和物理学之间做出抉择。虽然我很喜欢地质学,但我认为自己更是一名物理学家,因此我必须重新回到物理学上来。

记者:那样做有困难吗?

艾弗里特:我有幸与帝国理工学院里几位非常优秀的人进行过讨论,包括参与“曼哈顿计划”的美国物理学家菲利普 · 莫里森(Philip Morrison)。我碰巧读过一本由宾夕法尼亚大学的肯尼思 · 阿特金斯(Kenneth Atkins)撰写的关于液态氮的书,因此受到鼓舞而申请那儿的一个职位。我在宾夕法尼亚大学学习了两年的低温液态氮物理学。此前,我从未见过液态氮。

记者:重力探测器B是在什么地方装配的?

艾弗里特:在那时,斯坦福大学的物理学家威廉 · 费尔班克(William Fairbank)来到宾夕法尼亚作演讲(费尔班克因尝试高难度实验而享有盛名,他将低温技术应用于物理学的其他分支)。我记得阿特金斯说过,费尔班克走得太远了,因为他已经开始讨论用陀螺仪实验来验证爱因斯坦的理论。我觉得他在做的事情就是我应该努力的方向。

回顾过去,我认识到自己受到布莱克特不经意间说的一句话的影响:如果你没把握下一步要研究哪方面的物理学,那么就发明某种新的技术,因为新技术总是会带你走向新的物理学。在1962年,我去了斯坦福,投身于重力探测器B的研究。

记者:为什么探测器的升空花了40年的时间?

艾弗里特:根本原因是你不得不发明各种技术,而那样做必然要花费时间。美国航空航天局NASA)得出结论,所有需要的技术在1981年之前就已经论证过了。

记者:但仍然又花了23年的时间才使探测器发射?

艾弗里特:论证个别技术与把这些技术整合在一起,使之能在飞行装置里一起工作之间存在着巨大的差异。最初的想法是在极地轨道上由航天飞机发射重力探测器B。

图为升空前的重力探测器 B

记者:那么发生了什么事?

艾弗里特:由于两个原因而出了差错。计划开始于1985年,一年后,“挑战者”号航天飞机发生爆炸。同时,NASA决定关闭西部试验场,而该试验场是航天飞机进入极地轨道所必须的。那意味着我们必须用火箭发射重力探测器B进入太空。重力探测器B需要一个极地轨道来验证爱因斯坦广义相对论的两个关键性预言:空间和时间如何因地球的存在而被扭曲?地球的旋转如何拖曳地球周围的时空?要是有理想的资金投入,也许可以减少8年的时间。

记者:您说的“理想的资金投入”是什么意思?

艾弗里特:由于一些完全可察觉的政治原因,NASA每年给重力探测器B提供固定的资金,这不是实施空间计划的正常方式。通常你在实施一项计划,当遇到困难时就有额外的资金可供机动。但我们没有。因此,一些本该同时一起做的事情因资金原因被延误了。

记者:这对探测器有什么影响?

艾弗里特:有些事情应该做得好一些,因为我们耗费了很多的时间。而耗费更多的时间会对其他人造成压力。就如我的同事布拉德 · 帕金森(Brad Parkinson)所言,空间计划把人都给拖垮了。

记者:您在吸引学生方面(也许看不到自己的成果)有无遇到过困难?

艾弗里特:没有。那是个有趣的因素。我们培养出了79名博士:其中三分之一是物理学家,其余的是工程师。你仍然可以界定与重力探测器B相关的有价值的研究计划,这些计划会使学生们在适当的时间之后获得博士学位。

记者:重力探测器B计划被取消过几次?

艾弗里特:我知道至少7次。另外还有3次是我事先不知道的。

记者:您是怎样获得被取消的信息的?感受如何?

艾弗里特:它的第一次取消很奇怪。1980年,卡特总统决定在年中改善美国预算差额,各部门因此不得不削减资金。有一天下午,我在家里接到NASA打来的关于重力探测器B计划被取消电话,并被告知我有4~6个星期的时间处理这件事情,但没有告诉我该怎么做。

记者:这是什么意思?

艾弗里特:去告诉国会。NASA本身不可能去游说国会,也不可能建议你去游说国会。也许我理解有误,但我就是这样认为的。

记者:您以前有无卷入美国的政治之中?

艾弗里特:我曾经去国会山旁听辩论,目的只是为了见识一下他们是怎样辩论的,但我从未去过参议院。这一次,我和费尔班克一起到阿拉巴马州NASA马歇尔航天中心所在地区的国会议员办公室。马歇尔航天中心是负责管理我们这项计划的。

记者:然后发生了什么?

艾弗里特:使我们惊讶的是,负责接待我们的那个人与来自科学委员会的一位同事对我俩就如何游说国会开导了大约一个小时,并告诉我们去见谁。于是,我们第三次来到了国会山。

记者:结果还不错?

艾弗里特:在5个星期之内,曾是宇航员的参议员哈里森 · 施密特(Harrison Schmidt)在一次国会听证会上质问NASA:为什么要取消这样一项重要的任务。NASA因此而遭到谴责,结果我们重新得到了资金。

记者:为什么重力探测器B在NASA遇到如此多的麻烦?

艾弗里特:这不是因为NASA的人什么的,也不等于说你得不到支持,而是因为在NASA还从未有过一个系统的基础物理学计划。

记者:所以您就成了具有政治家气魄的人?

艾弗里特:我学到的东西是,你必须让人们始终了解情况。所以我每年去国会山两、三次,以便让政治家们知道,重力探测器B的进展状况良好。有一两次,当危机在酝酿之中时,我会尽早告诉他们,而不是让他们先从别人那儿听到可怕的坏消息。

记者:您会给那些参与巨资投入项目的物理学者们提点什么样的建议?

艾弗里特:没人欠你7亿美元用于重力探测器B或别的计划,更没人欠你100亿美元用于粒子加速器。在得克萨斯从事超导对撞器研究的粒子物理学家似乎没懂得这一点。他们往往认为,因为他们以前一直得到资金,所以应该继续得到资金。

记者:您是如何应对那些认为有远比重力探测器B省钱的方法来检验广义相对论的批评家的?

艾弗里特:检验广义相对论这件事本身就是一件令人好奇的事情。与以前对相对论的检验相比,有些事情天生就与重力探测器B不同。而与观察相比,它是一个物理学实验:意味着仪器处于实验者控制之下。在1919年,阿瑟 · 爱丁顿(Arthur Eddington)发现了太阳引力使得远方恒星发来的光线发生了弯曲。这是一个“最终结果分析”,最终结果分析是对多种原因共同作用产生的结果进行必要的非正式研究。它只是一次观察,而不是一切都在控制之下的实验。

另外,重力探测器B的设计思路是这样的,所有非爱因斯坦效应与爱因斯坦效应相比是非常小的。这不是对众多别的实验的批评,而是在许多场合,背景效应比被测量的要大得多,而这些实验则依赖于极为复杂的技术来发掘相对论。

记者:在过去的40年中,您有没有产生过想要放弃的念头?

艾弗里特:到1980年,我已经为重力探测器B工作了17年。当我得知该计划已经被取消的时候,我确实认为过去的17年将要付之东流,我没有什么东西可以用来展示它。后来我有了一种隐约的感觉,事情不会是这样的。

记者:您在前面已经提到过这种隐约的感觉。它到底是什么?

艾弗里特:一种按理应该是的感觉。你有过那样的感觉吗?你需要用适量的理智来公正地看待这些感觉。

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自从爱因斯坦在90年前提出了有关重力是场而非力的概念后,对此概念进行测试的“重力探测器B”2004年4月19日被送入地球极地轨道,对爱因斯坦广义相对论中有关时空会因旋转物体产生扭曲的推断进行验证。

广义相对论是现代物理学的基石,其要义是两个物体间之所以存在引力,是因为重力场使四维时空发生扭曲。1919年发生日食时的观测结果证实了太阳的重力使星光弯曲。1976年,美国航空航天局(NASA)的重力探测器A计划,把一个原子钟送入离地1万公里的太空中,证实了爱因斯坦提出的重力会使时间慢下来的推测。

但是,重力探测器B计划试图测量的是爱因斯坦理论中更奇怪的现象——“惯性系拖拉”(fram edragging),即一个偏轴旋转物体的重力场造成的时空的扭曲。

根据牛顿力学原理,一个陀螺仪和一个参考星座方向对齐后,如果没有外力干扰,就会始终保持对齐。但是根据爱因斯坦理论,由于地球自转和重力场引起的时空扭曲会造成陀螺仪和参考星座的相对方向发生改变。

重力探测器B有四个乒乓球大小的陀螺仪,是目前人类制做的最完美的球体,其精度是目前同类航天设备的100万倍以上。

重力探测器B被送入离地400英里高轨道后,将锁定一颗参考星座达13个月之久。期间,传感器会记录下有关陀螺仪轴心偏离的证据,从而对爱因斯坦的理论进行验证。专家认为,如果该实验成功,那么它将成为验证物理理论的一个经典实验。如果没有发现爱因斯坦理论的佐证,这次实验也将是革命性的,因为那意味着现代物理的基石——广义相对论将被改写。