史丹佛大學的GP-B實驗示意圖
「轉動、等效原則與重力太空探測B
(Gravity Probe B [GP-B])
實驗」
論文刊登Physics
Review Letters
期刊
[PRL 107, 051103 (2011)]
等效原則是萬有引力理論的基礎。伽利略等效原則假設「任何不同的試驗物體，若不受非重力作用，它們所走的軌跡應該一樣，與物體之組成份無關」。伽利略等效原則 (WEP)，是一種弱等效原則，已經由實驗證實到10-13的程度。對一個物體來說，它的運動狀態是由軌跡和轉動狀態而定。因此，在30幾年前的研究中，倪維斗博士提出了包括轉動狀態的弱等效原則 (WEP II)：任何不同的試驗物體，若不受非重力作用，它們所走的軌跡與轉動狀態應該一樣，與物體之組成份無關[PRL 38, 301 (1977)]。有二種情形，可以違反 WEP II：(i) 軌跡受到轉動狀態的影響；(ii) 轉動狀態隨角動量 (轉動方向/速率)或組成而變。在80年代、90年代和2000年初，世界上許多計量和重力實驗的研究人員從事WEP II弱等效原則的測試，驗證其成立達到一定的精度。
重力太空探測B (Gravity Probe B) 實驗使用4個石英陀螺，進行太空低溫無拖曳實驗，測定廣義相對論所預測的 de Sitter進動 (geodetic effect)和Lense-Thirring進動(frame-dragging effect)。Lense-Thirring進動在天體、星系吸積過程以及黑洞形成和演化中極為重要。GP-B實驗經過31年的研發和10年的太空飛行準備，在2004年4月20日發射升空，並經1.5年的飛行任務和5年的數據分析，在今年5月4日宣布最後結果、6月刊登PRL [106, 221101 (2011)]。GP-B軌道高642 km，是一個受控物理實驗，具有mas/yr的穩定度，比具物理模型最好的航行陀螺儀穩定度高100萬倍。GP-B實驗測量Lense-Thirring進動至19 %的精度、測量de Sitter進動至0.3 %精度。
GP-B實驗的4個石英球轉動速度和轉動方向不同，正是測試轉動等效原則WEP II的理想實驗。倪教授使用與分析GP-B實驗的結果，提升了WEP II的測試精度4個量級 (Eötvös參數η的絕對值小於10-11、參數λ的絕對值小於10-13 s-1至10-15 s-1的量級、參數κ的絕對值小於10-14至10-17的量級)。
參考文獻
[1] Wei-Tou Ni , Rotation, the Equivalence Principle, and the Gravity Probe B Experiment, Phys. Rev. Lett. 107, 051103 (2011)
如需更多資訊，請洽: