測地線效應
測地線效應（英語：Geodetic Effect）或測地線進動（英語：Geodetic Precession）是指在廣義相對論預言下重力場的時空曲率對處於其中的具有自轉角動量的測試質量的運動狀態所產生的影響，這種影響造成了測試質量的自轉角動量在重力場內沿測地線的進動。這種效應在今天成為了廣義相對論的一種實驗驗證方法，並且已經由美國太空總署於2004年發射的科學探測衛星「重力探測器B」在觀測中證實[1]。
歷史
最早預言測地線效應的物理學家是愛因斯坦的好友兼同事、荷蘭物理學家威廉·德西特（Willem de Sitter）， 他在廣義相對論發表不到一年後（1916年）就開始着眼於這個問題，因而此效應也以其姓氏紀念稱作德西特進動。通過計算他提出了測地線效應的一個實例：地球-月球系統在太陽重力場的作用下會產生進動，這個實例在今天也被稱作德西特效應或太陽測地線效應。德西特的計算後來在1918年和1920年分別被荷蘭數學家Jan Schouten和荷蘭物理學家阿德里安·福克進一步推廣到一般的具有自轉的質量上[2]。無論如何在當時這種效應顯然無法被觀測到，因此直到1988年研究人員通過對月球測距和無線電干涉的方法才在實驗上證實了地月系在太陽重力場中的測地線進動[3]。
解釋
由於廣義相對論本身是一種幾何理論，所有的重力效應都可以用時空曲率來解釋，測地線效應也不例外。不過，這裏自轉角動量的進動也可以部分地從廣義相對論的替代理論之一——重力磁性來理解。從重力磁性的觀點來看，測地線效應首先來源於軌道-自轉耦合作用。在重力探測器B的觀測中，這是重力探測器B中的陀螺儀的自轉和位於軌道中心的地球的質量流的相互作用。本質上這完全可以和電磁理論中的托馬斯進動做類比。這種相互作用所導致的進動在全部的測地線進動中起到三分之一的貢獻[2]。
另外的三分之二貢獻不能用重力磁性來解釋，只能認為來自於時空曲率。簡單來說，平直時空中沿軌道運動的自轉角動量方向會隨着重力場造成的時空彎曲而傾斜。這一點其實並不難於理解：垂直於一個平面的向量在平面發生彎曲後定然會改變方向（點擊這裏 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）觀看物理學家基普·索恩對此的通俗解釋錄像）。根據推算，重力探測器B的繞地軌道周長由於地球重力場的影響會比不考慮重力場時的周長縮短1.1英寸（約合2.8厘米），這個例子在重力探測器B的研究中經常被稱作「丟失的一英寸」[2]。在重力探測器B的位於642千米高空的極軌道上，廣義相對論的理論預言由於自轉-軌道耦合和時空曲率而產生的軌道平面上的測地線效應總和為每年進動6.606角秒（約合0.0018度）。這對於弱重力場中相對論效應來說已經是一個相當顯著的影響了（作為同為重力探測器B的觀測任務之一的地球重力場的參考系拖曳要比測地線效應弱170倍[1]）。重力探測器B的觀測結果首先在2007年4月舉行的美國物理學會四月年會上進行了快報，其觀測結果與理論誤差小於1%[1]。
相關條目
參考文獻
- ^ 1.0 1.1 1.2 Stanford University News Service. Was Einstein right? Scientists provide first public peek at Gravity Probe B results (PDF). 2007-04-14 [2008-05-19]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-05-16） （英語）.
- ^ 2.0 2.1 2.2 James Overduin. Gravity Probe B - Spacetime and Spin. einstein.stanford.edu. 2008年1月 [2008年5月19日]. （原始內容存檔於2021年2月13日） （英語）.
- ^ Precession in Curved Space "The Geodetic Effect". NASA. [2008-05-19]. （原始內容存檔於2008-05-10） （英語）.
外部連結
- Leonard David. Gravity Probe B: Delay in Space and Time. SPACE.COM. 2003-12-31 [2008-05-19]. （原始内容存档于2009-05-24） （英语）.
