“最”圆的球用在卫星上，1马赫氦气流吹，误差仅为千亿分之一度

这个球是人类有史以来制造的“最”圆的球体。这个石英球只有乒乓球大小，表面的弧度误差小于10纳米，已经接近了原子大小尺度。如果把这个球放大到地球大小，那么地球上的高处和低处仅仅距离2.4米。这4个球由熔融石英制成，并涂有极薄的铌层。它们这么圆不是为了好看，而是尽量减少对陀螺仪旋转的影响，因此陀螺仪永远不会接触到它们的容纳室，而是通过电场悬浮，使用1马赫氦气流旋转，通过使用SQUID监测超导铌层的磁场来感测它们的旋转轴。

2004年4月20日美国发射了1颗卫星，叫做重力探测器B，目前已经报废了，用来测量地球周围的时空曲率，测试广义相对论的两个未经验证的预测：大地测量效应和参考系拖动。通过准确地测量4个陀螺仪旋转方向的微小变化来实现的，这颗卫星在高度650公里轨道运行，直接穿过两极。

卫星上携带了4个在液氦中旋转的4厘米抛光石英球陀螺仪，图中就是为重力探测器B制造的熔融石英陀螺仪，这是人类有史以来制造的“最”圆球体。至今仍然有2个陀螺仪仍然保持着这一记录，但第3位已被阿伏加德罗项目制造的硅球占据。陀螺仪与球体的厚度相差不超过40个原子。

造这个卫星时费了老鼻子劲了，虽然有很圆的球体，但仅凭这一点并不能为该实验提供必要的性能。设计师得解决3个设计难题1：如何将这些转子悬挂在其空腔中而不干扰其旋转。2：如何使转子旋转并保持旋转。3：如何读出未标记的球体的旋转方向。

他们通过用三对碟形电极悬浮转子解决了问题1，电场使转子居中至百万分之几厘米，并没有用电力驱动，而是用氦气流以接近1马赫的速度射向转子，转子大约需要半个小时才能达到全速，而在腔体的超真空中，1000年以后它的速度损失不到该速度的1%。

但问题3非常有挑战性，设计人员使用超导性作为基于超导量子干涉装置的无干扰指针读数的基础，如下图。当超导体旋转时，它会因伦敦矩（以预测它的物理学家弗里茨·伦敦命名）而产生磁场。为了读取转子旋转方向，设计人员在转子上涂上了一层超薄的铌层，由于晶格中电子运动的差异，转子产生微小的电场，这种效应即伦敦矩与自转轴竟然一致。

重力探测器B的关键就是这4个陀螺仪，由封装在石英外壳内的固体熔融石英旋转球体组成。4个乒乓球大小的转子需要严格的均匀性标准（具有微小密度变化的固有均匀性）以及机械和电气球形度。从机械角度来看，铌涂层转子位于球体的40个原子层内。这些要求需要新的制造和测量技术。在轨道上，转子的旋转是通过在复杂加工的通道中以接近音速的速度泵送氦气流过转子来实现的。旋转后，气体被从外壳中抽出形成真空，压力低于轨道航天器周围的空间。球漂浮在航天器质心的真空腔中，验证质量的作用是遵循理想的引力轨道。感测其在空腔中的位置并根据位置变化对卫星进行补偿调整，消除大地测量效应。

重力探测器B实验包括4个力矩陀螺仪和一个瞄准飞马座的双星的参考望远镜。在极地轨道上，陀螺仪旋转方向也指向飞马座的双星，参考系拖曳和大地测量效应以直角出现，每个陀螺仪都测量这两者。陀螺仪安装在超流氦杜瓦瓶中，温度保持在-271 °C，需要接近绝对零的温度来减少分子干扰，并使陀螺仪机构的铅和铌部件变得超导。

为了测试爱因斯坦的广义相对论，重力探测器B要使用漂浮在太空中的旋转陀螺仪测量2个微小的角度。虽然这个概念相对简单，但进行实验需要一些很准确且复杂的技术。来自斯坦福大学、洛克希德·马丁公司和 NASA 的科学家和工程师为此发明了10几种全新技术。

为了测量爱因斯坦理论预测的微小角度，团队建造的4个陀螺仪，其旋转轴每小时偏离起点的角度不会超过千亿分之一度。相比之下战机与核潜艇中先进的地基陀螺仪的自转轴漂移比这个卫星的陀螺仪大七个数量级，超过一千万倍。因为重力探测器的陀螺仪转子内部非常平衡和均匀，没有任何轴承或支撑，在只有几个分子的真空中运行。在这个均质的3.81厘米纯熔融石英球体，抛光至几个原子层以内直到完全光滑。已被吉尼斯世界纪录数据库列为有史以来制造的“最”圆物体，其球形度仅次于中子星。