2014年8月,一枚火箭发射了伽利略全球导航系统的第五颗和第六颗卫星,该系统是欧盟对美国价值110亿美元的回应全球定位系统(GPS)。但当人们发现这些卫星被扔在了错误的宇宙“公交站”时,庆祝变成了失望。它们没有被放置在高度稳定的圆形轨道上,而是被困在无法导航的椭圆轨道上。

然而,这次事故为基础物理实验提供了一个难得的机会。两个独立的研究小组——一个由法国巴黎天文台的Pacôme Delva领导,另一个由德国不莱梅大学的Sven Herrmann领导——监测着这些不稳定的卫星,以寻找爱因斯坦广义相对论中的漏洞。

“广义相对论仍然是对引力最精确的描述,到目前为止,它经受住了大量的实验和观测测试,”安大略Guelph大学的物理学家Eric Poisson说,他没有参与这项新研究。然而,物理学家还不能将广义相对论与量子力学的定律结合起来,量子力学解释了能量和物质在非常小的尺度上的行为。“这是怀疑引力不是爱因斯坦给我们的一个理由,”泊松说。“这可能是一个很好的近似,但还有更多的事情要做。”

爱因斯坦的理论预测,在接近大质量物体时,时间会过得更慢,这意味着地球表面的时钟相对于轨道上卫星的时钟应该以更慢的速度运行。这种时间膨胀被称为引力红移。任何对这一模式的细微偏离都可能为物理学家提供线索,让他们找到一种将引力和量子物理学结合起来的新理论。

即使在伽利略号卫星被推到更接近圆形轨道的位置后,它们仍在每天两次上升和下降约8500公里。在三年的时间里,德尔瓦和赫尔曼的团队观察了重力的变化如何改变了卫星超精确原子钟的频率。之前的引力红移测试是在1976年进行的,当时重力探测器a亚轨道火箭发射到太空,上面装有原子钟,研究人员观察到广义相对论预测了原子钟的频移,不确定度为1.4 × 10−4

这项新研究发表在去年12月的物理评论信再次验证了爱因斯坦的预测,并将精确度提高了5.6倍。因此,就目前而言,这个有百年历史的理论仍然占主导地位。