轨道上的迪斯科球对爱因斯坦理论进行了迄今最精确的检验

# 轨道上的迪斯科球为爱因斯坦理论提供了迄今最精确的检验 来源：https://arstechnica.com/science/2026/07/an-orbiting-disco-ball-gave-einsteins-theory-its-most-precise-test-yet/ 地球也许没那么巨大，但它仍然扭曲了时空。 阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预言，像地球这样的旋转质量体会将时空结构拖拽着，形成永不停息的漩涡。这一现象被称为“参考系拖曳”或“Lense-Thirring效应”，得名于1918年建立该模型的两名物理学家。参考系拖曳在质量更大、旋转更快的物体上更为显著，因此我们主要在大质量黑洞周围观测到它。 测量地球旋转时如何扭曲时空则要困难得多，因为我们的这颗淡蓝色小行星质量比典型的黑洞轻数百万倍，且旋转速度相当缓慢。 但现在，由中国科学院武汉物理与数学研究所的物理学家Ignazio Ciufolini领导的一组天文学家报告了迄今为止对地球Lense-Thirring效应最精确的测量。他们的工作将不确定性从几个百分点降至仅0.2%。而他们用来实现这一结果的是一颗看起来介于高尔夫球和迪斯科球之间的卫星。 ## 迪斯科球卫星 Ciufolini及其同事在实验中使用的迪斯科球卫星名为LARES-2（激光相对论卫星2号），由意大利航天局研制。它是一个实心球体，材质为Inconel 718（一种致密的镍铬合金），表面覆盖303个角反射棱镜，直径略大于40厘米。它没有推进器、没有太阳能电池板，也没有任何电子设备。重量为294.8公斤。这种小尺寸与大质量的组合使其拥有中地球轨道卫星中最低的面积质量比。 这正是科学家们所需要的，因为这有助于他们最小化其他力的影响。 “我们的想法是测量引力，”Ciufolini说。“存在非引力效应，比如光子撞击卫星并将其推离。因此，卫星的质量必须非常大，而横截面非常小，这样光子引起的加速度就非常非常小。”在理论物理学中，这类卫星被称为测试粒子，即其运动几乎完全由引力场支配的物体。LARES-2于2022年7月由Vega-C火箭送入高度约12,265公里的轨道。 一旦LARES-2就位，研究人员就开始用地面激光照射它。 ## 同步飞行 LARES-2上的角反射棱镜设计用于将光束精确反射回其来源方向。当Ciufolini及其同事向卫星发射短激光脉冲时，他们可以根据返回的光将卫星的位置精确到大约1毫米。从2022年7月到2025年6月，大约20万次这样的观测构成了团队用于测量地球参考系拖曳的数据集。 但即使如此精确的定位也不足以达到团队想要的精度。 利用地球轨道卫星测量参考系拖曳的问题在于地球并非完美的球体。它的赤道隆起会产生经典的牛顿力，作用于卫星轨道，其量级比参考系拖曳信号大几个数量级。Ciufolini几十年前在与物理学家John Archibald Wheeler合作时提出的解决方案是使用两颗处于互补轨道的卫星，即轨道倾角之和为180度。 “假设有一颗卫星围绕一个完美的球对称物体运行——这颗卫星的轨道就像一个陀螺仪，”Ciufolini说。在理想条件下，轨道平面及其在空间中的方向应保持不变，唯一改变这一方向的因素就是参考系拖曳。 “但地球不是球对称的，”Ciufolini说。“它是扁球体，这种扁率会导致轨道平面方向发生变化。”利用两颗互补倾角的卫星，牛顿扰动在两个轨道平面上大小相等、方向相反，从而相互抵消。而Lense-Thirring效应将两个轨道平面推向同一方向，因此代数相加——噪声消失，相对论信号得以保留。 这就是为什么LARES-2与其更年长、更大的表兄弟LAGEOS协同工作。LAGEOS是美国宇航局设计的一颗专用于高精度激光测距的卫星，于1976年发射。LAGEOS和LARES-2的轨道倾角之和为180.01度，团队认为这足够接近。 但地球的不规则形状并非唯一挑战。 ## 对抗潮汐 借助巧妙的几何抵消解决了牛顿噪声后，剩下需要处理的扰动之一被称为K1日月潮汐，这是来自月球和太阳的引力扰动，会调制地球的引力场。“太阳和月球改变了地球的形状，地球的形状又改变了其周围的引力场，进而略微改变了卫星的轨道，”Ciufolini说。“这项实验的主要挑战是消除这一个潮汐分量。” 团队的解决方案是收集恰好一个完整的卫星1,050天进动周期的测量数据。在这个周期内，具有良好测量周期和相位的潮汐扰动会平均化，从而可以从数据中去除。 在去除了潮汐信号以及六个周期在135天到910天之间的较小潮汐分量后，研究人员得到的是卫星联合轨道中一个干净、稳定的漂移，每年约61.3毫角秒——这正是时空扭曲的特征。 根据他们的统计模型，这个最终测量值与爱因斯坦广义相对论的预测惊人地接近，误差仅为千分之一到千分之二。 ## 后爱因斯坦物理学 这一测量再次证实了广义相对论，但Ciufolini认为其真正价值在于它排除了什么。广义相对论与量子力学不相容，尽管我们竭尽全力试图调和两者，而且它也无法解释暗能量。Chern-Simons理论是量子引力框架中涌现的主要替代理论之一，它修改了爱因斯坦方程，并引入了数学修正，预期能使方程在量子力学和引力必须共存的超小尺度上成立。 虽然它并未完全调合爱因斯坦物理学与量子力学，也未提供普遍接受的暗能量问题解决方案，但许多物理学家认为Chern-Simons理论让我们向完整的万物理论更近了一步。然而问题在于，它预言了不同的参考系拖曳大小。“通过非常精确地测量参考系拖曳，我们能够对Chern-Simons理论的预测施加限制，”Ciufolini说。他的测量并未排除该理论，但严重缩小了其适用范围，消除了其大量潜在变体。 但Ciufolini的研究还有其他更接地气的影响——字面意义上的接地。通过从卫星跟踪数据中精确识别并滤除K1潮汐的引力畸变，该实验还得到了对该潮汐实际强度的更精确测量，这一附带发现可能为地球科学提供新的见解。“我的中国同事告诉我，如果我们提高对潮汐的认识，就能间接改进对地震的研究，”Ciufolini说。他预计这项实验将持续产出成果。 “这些激光测距卫星有一个独特的特点：它们可以持续运行数百年，”Ciufolini说。“等待时间越长，积累的数据越多，参考系拖曳测量的结果就越好。因此，我们也许可以等上100年，届时它们将对理论物理学更加有用。” 《自然》，2026年。DOI：10.1038/s41586-026-10715-0 (https://doi.org/10.1038/s41586-026-10715-0) Jacek Krywko的照片 (https://arstechnica.com/author/jacek_krywko/) Jacek Krywko 是一位自由科学和技术作者，报道太空探索、人工智能研究、计算机科学以及各种工程奇技。 35条评论 (https://arstechnica.com/science/2026/07/an-orbiting-disco-ball-gave-einsteins-theory-its-most-precise-test-yet/#comments) 1. 最受欢迎文章列表的首条配图：怀疑AI作弊，常春藤教授要求现场期末考试；成绩下降50% (https://arstechnica.com/ai/2026/07/we-cannot-choose-to-become-idiots-the-ai-cheating-scandal-roiling-brown-university/)