地球在轨道上拖曳着时空，正如爱因斯坦所预言的那样
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对广义相对论最令人惊叹的效应之一进行了迄今最佳的测量，这为爱因斯坦再添一项新成就。
一个多世纪过去了，科学家们仍在证明阿尔伯特·爱因斯坦是对的。
这位著名物理学家的革命性理论——广义相对论——于 1915 年问世。该理论提出，引力可以被理解为物体沿着时空曲率下落。其中一个经过充分验证的推论就是参考系拖曳。在这个过程中，一个沉重的旋转物体（比如黑洞或地球本身）会拖曳周围的时空以及轨道上的任何物体。（一些研究人员将这种效应比作在蜂蜜中旋转的勺子，它在旋转时会带动蜂蜜以及蜂蜜中的任何物体一起运动。）
如今，研究人员成功地以前所未有的精度测量了这一现象。周三发表在《自然》杂志上的一项研究再次证实了爱因斯坦这一最伟大的理论。
“我们将参考系拖曳的测量精度提高了 10 倍以上。在物理学中，这是一个巨大的进步。这项测量帮助我们对其他替代引力理论的有效性设定了限制。”论文的主要作者、罗马大学物理学家伊尼亚齐奥·丘福利尼说。
这项研究依赖于激光相对论卫星 2 号（LARES-2）的数据。该任务由丘福利尼领导。 2022 年，意大利航天局将 LARES-2 发射入轨。它是美国国家航空航天局此前两项激光地球动力学卫星（LAGEOS）任务的后续工作。 LARES-2 和 LAGEOS 卫星都是布满镜面的球体，看起来就像太空中闪闪发光的迪斯科灯球。科学家通过镜面反射激光束，精确确定这些球体的准确轨道位置。
这些卫星在地球上方数千公里的轨道上运行，其高度远远超过了稀薄大气层可能干扰其轨道的范围。丘福利尼表示，这意味着如果我们的星球是一个完美的球体，参考系拖曳将是改变它们轨道的唯一因素。遗憾的是，太阳和月亮的引力（也就是我们所熟知的潮汐）让我们的世界变得有些不平衡，这使得卫星的轨道运动变得更加复杂。但是，通过结合 LARES-2 和 LAGEOS 的测量结果，他和团队抵消了这些影响，从而以千分之一的不确定度精确确定了参考系拖曳效应。
未参与该研究的芝加哥大学天体物理学家丹尼尔·霍尔兹表示，这本身就是一项了不起的壮举。但与之前的任务相比，它显得更加卓越。例如美国国家航空航天局耗资 7.5 亿美元的引力探测器 B 任务。该航天器于 2004 年发射，利用机载陀螺仪测量参考系拖曳效应，但精度却远不及此。
霍尔兹说：“这个项目好了 100 倍，而且成本要低得多。因为他们把卫星的整个轨道当成了一个陀螺仪，这是一种非常绝妙且优雅的解决方案。”
准确辨别日月潮汐如何影响 LARES-2 的轨道，对于实现迄今最佳的参考系拖曳测量至关重要。虽然两颗卫星的数据结合后，可以轻松抵消大多数潮汐效应，但一种名为 K1 的日月潮汐却给计算带来了不确定性。
科学家们必须连续 3 年追踪 K1 潮汐对卫星的影响，才能理解它的作用。好消息是，该团队的工作对 K1 的强度设定了新的限制。这一发现可能有助于科学家研究地震和地球的海洋。
通过更精确地测量广义相对论的这一结果，本研究还对那些质疑爱因斯坦结论的替代性理论起到了约束作用。然而，未参与该研究的莫纳什大学天体物理学教授保罗·拉斯基表示，由于该团队是在太阳系内测量参考系拖曳效应，他们所在的引力场相对较弱。他指出，在更强的引力场中进行实验，可以为这些替代性理论的有效性提供更高的确定性。
拉斯基总结道：“这项工作展示了一次更加纯粹的测量。不过，它并未探测更强引力的区域，而偏离广义相对论的情况往往更有可能在这些区域显现出来。”
霍尔兹表示，就目前而言，这项研究为爱因斯坦“再添一项新成就”，再次证明了广义相对论的持续成功。
“这个结果并没有改变相对论。同时，一些让富有创造力的理论家感到兴奋、可能打破相对论的理论也被排除了。但进步就是这样发生的，”他说，“现在我们要进行下一个项目了。”
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