[论文解读] Gravity Probe C(lock) - Probing the gravitomagnetic field of the Earth by means of a clock experiment

Frank Gronwald, Eleonora Gruber+2 more|ArXiv.org|Dec 11, 1997

Geophysics and Sensor Technology参考文献 6被引用 13

一句话总结

本文提出引力探针 C(lock)，一项利用钟实验直接探测地球的引力磁效应的空间任务。通过比较顺行轨道与逆行轨道中两个原子钟的固有时差异，该研究预测每圈将产生约 2×10⁻⁷ 秒的时间偏移，利用了近期发现的显著引力磁效应钟效应。

ABSTRACT

We outline a mission with the aim of directly detecting the gravitomagnetic field of the Earth. This mission is called Gravity Probe C. Gravity Probe C(lock) is based on a recently discovered and surprisingly large gravitomagnetic clock effect. The main idea is to compare the proper time of two standard clocks in direct and retrograde orbits around the Earth. After one orbit the proper time difference of two such clocks is predicted to be of the order of $2 imes 10^{-7}$ s. The conceptual difficulty to perform Gravity Probe C is expected to be comparable to that of the Gravity Probe B--mission.

研究动机与目标

• 通过轨道上的高精度钟实验，直接探测地球的引力磁效应。
• 检验广义相对论所预测的引力磁效应钟效应的存在性与大小。
• 解决与引力探针 B 任务类似的概念与技术挑战。
• 验证反向轨道钟之间存在显著引力磁时间偏移的理论预测。
• 为探测地球引力场中参考系拖拽效应提供切实可行的实验框架。

提出的方法

• 在地球赤道轨道上部署两个相同的原子钟，一个沿顺行（正向）轨道运行，另一个沿逆行轨道运行。
• 利用引力磁效应钟效应，即由于地球自转及其引力磁场所引起的相对论性时间差。
• 测量两个钟在完成一次完整轨道运行后所记录的固有时差异。
• 应用广义相对论方程对时间偏移进行建模，其主要贡献来自引力磁势。
• 考虑所有已知的相对论性与经典扰动，以分离出引力磁信号。
• 使用高精度原子钟，其稳定性足以分辨预测的 2×10⁻⁷ 秒时间差。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过轨道钟实验直接测量地球的引力磁效应？
• RQ2 由于参考系拖拽效应，顺行与逆行轨道钟之间的固有时差有多大？
• RQ3 引力磁效应钟效应与地球引力场中其他相对论性时间偏移相比如何？
• RQ4 实现此类钟实验面临的技术与概念挑战是什么？与引力探针 B 任务相比有何异同？
• RQ5 每圈约 2×10⁻⁷ 秒的预测时间偏移是否可通过当前原子钟技术实现实验测量？

主要发现

• 引力磁效应钟效应预测，两个钟在相反方向绕行一圈后，其固有时差约为 2×10⁻⁷ 秒。
• 该时间偏移源于钟的运动与地球因自转引起的引力磁场所产生的相互作用。
• 该效应显著大于以往预期，使其成为实验探测的有力候选。
• 引力探针 C(lock) 的概念难度估计与引力探针 B 任务相当。
• 在实现足够稳定性和同步性的前提下，该实验可借助当前原子钟技术实现。
• 预测的时间差足够大，可通过当前最先进的空间精密时间测量系统进行测量。