轨道上的"迪斯科球"完成了对爱因斯坦广义相对论迄今最精确的验证

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随之拖拽，形成永恒的漩涡。这一现象被称为参考系拖拽效应，又称伦斯-蒂林效应，得名于1918年对其建立数学模型的两位物理学家。由于质量越大、旋转越快，参考系拖拽效应越显著，科学家此前主要在巨型黑洞周围观测到这一现象。

测量地球自转如何扭曲时空要困难得多，因为地球的质量比典型黑洞轻数百万倍，自转速度也相对缓慢。

然而近日，由中国武汉物理与数学研究所物理学家Ignazio Ciufolini领衔的天文学家团队，报告了迄今对地球伦斯-蒂林效应最精确的测量结果。这项研究将测量不确定性从几个百分点降至仅0.2%，而完成这一壮举所借助的卫星，外形酷似高尔夫球与迪斯科球的结合体。

这颗"迪斯科球"卫星名为LARES-2（激光相对论卫星2号），由意大利航天局研发。它是一颗由Inconel 718（一种致密的镍铬合金）制成的实心球体，表面镶嵌303个角锥后向反射器，直径略超40厘米，既没有推进器，也没有太阳能电池板，更没有任何电子设备，重量为294.8千克。这种小体积与大质量的组合，使其成为中地球轨道上面积质量比最低的卫星。

这正是科学家所需要的，因为低面积质量比有助于将其他非引力的干扰降至最低。

"我们想要测量的是引力，"Ciufolini表示，"但存在非引力效应，例如光子撞击卫星并对其施加推力。因此卫星必须质量很大、横截面积很小，这样光子产生的加速度才会极其微弱。"在理论物理学中，这类卫星被称为"检验粒子"，即运动几乎完全由引力场主导的物体。2022年7月，LARES-2由织女星-C火箭送入约12265千米高的轨道。

LARES-2就位后，研究人员开始用地面激光对其进行照射。

LARES-2上的后向反射器能将光束精确地反射回来源方向。Ciufolini及其团队向卫星发射短激光脉冲，根据返回的光信号，可将卫星位置精确锁定至约1毫米。从2022年7月至2025年6月，约20万次此类观测所构成的数据集，成为团队测量地球参考系拖拽效应的基础。

然而，即便如此精确的定位仍不足以达到团队所追求的精度。

用地球轨道卫星测量参考系拖拽效应面临的难题在于，地球并非完美的球体。其赤道隆起会对卫星轨道产生经典牛顿力，其量级比参考系拖拽信号大出数个数量级。Ciufolini数十年前与物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒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。

"假设一颗卫星绕完美球形天体运行，其轨道就像一个陀螺仪，"Ciufolini说，在理想条件下，轨道平面及其空间朝向应保持固定，唯一改变该朝向的因素应是参考系拖拽效应。

"但地球并不是球形对称的，"他补充道，"它是扁球体，这种扁率会改变轨道平面的朝向。"当两颗卫星处于互补轨道时，牛顿摄动在两个轨道平面中大小相等、方向相反，相互抵消；而伦斯-蒂林效应对两个轨道平面的推动方向相同，因此代数叠加后，噪声消失，相对论信号得以留存。

这正是LARES-2需要与其"前辈"LAGEOS卫星协同工作的原因。LAGEOS是美国航空航天局1976年发射的一颗专为高精度激光测距设计的卫星，LAGEOS与LARES-2的轨道倾角之和为180.01度，研究团队认为这已足够接近。

然而，地球的不规则形状并非唯一挑战。

通过巧妙的几何抵消解决牛顿噪声后，仍需应对一种名为K1日月潮汐的干扰——来自月球和太阳的引力扰动会调制地球引力场。"太阳和月球改变了地球形状，地球形状的变化又改变了其周围的引力场，进而稍微改变卫星轨道，"Ciufolini说，"这次实验最大的挑战就是消除这一潮汐分量的影响。"

团队的解决方案是恰好收集一个完整的1050天卫星进动周期内的数据。在此期间，该潮汐扰动因周期和相位已知而被平均消除，并从数据中剔除。

在消除潮汐信号及其他六个已知周期在135至910天之间的较小潮汐分量后，研究人员从两颗卫星联合轨道中提取出一个清晰而稳定的漂移信号——每年约61.3毫角秒，这正是时空扭曲的特征。

最终测量值与爱因斯坦广义相对论的预测高度吻合，根据统计模型，误差仅为千分之一至千分之二。

这次测量再度印证了广义相对论，但Ciufolini认为其真正价值在于对其他理论的排除。广义相对论与量子力学之间存在根本矛盾，尽管科学界为调和二者做出了大量努力，但迄今未果，广义相对论也无法解释暗能量。陈-西蒙斯理论是从量子引力框架中涌现出的主要替代方案之一，它对爱因斯坦方程进行了修正，引入了数学修正项，以期在量子力学与引力必须共存的极小尺度上发挥作用。

尽管陈-西蒙斯理论尚未完全调和爱因斯坦物理学与量子力学，也未提供公认的暗能量解决方案，但许多物理学家认为它让我们离"万物理论"又近了一步。问题在于，该理论对参考系拖拽效应的预测量级与广义相对论不同。"通过精确测量参考系拖拽效应，我们得以对陈-西蒙斯理论的预测范围设定限制，"Ciufolini说。这次测量并未完全排除该理论，但大幅缩窄了其参数空间，排除了其大量可能的变体形式。

Ciufolini的研究还有一些更贴近地球本身的意义。通过从卫星追踪数据中精确识别并滤除K1潮汐引起的引力扰动，这项实验还给出了该潮汐强度的更精确测量值，这一额外发现有望为地球科学提供新的洞见。"我的中国同事告诉我，如果我们提升对潮汐的认知，就能间接改进对地震的研究，"Ciufolini说。他相信这项实验会持续产出成果。

"这些激光测距卫星有一个独特的特点：它们可以运行数百年，"Ciufolini说，"等待的时间越长，积累的数据越多，参考系拖拽测量的结果就会越好。也许再等100年，它们将变得对理论物理学更有价值。"

本研究发表于《自然》杂志，2026年。DOI: 10.1038/s41586-026-10715-0

Q&A

Q1：LARES-2卫星为什么要做成实心金属球、不加任何电子设备？

A：这是为了尽可能减少非引力干扰。卫星质量越大、横截面积越小，光子撞击卫星产生的加速度就越微弱，卫星的运动就越接近理论上只受引力支配的"检验粒子"状态，从而让科学家能从其轨道变化中干净地提取出参考系拖拽这一极微弱的广义相对论效应。

Q2：LARES-2和LAGEOS为什么要搭配使用？

A：地球赤道隆起产生的牛顿力对卫星轨道的影响，比参考系拖拽效应大出数个数量级。将两颗卫星布置在轨道倾角之和为180度的互补轨道上，这种牛顿摄动在两条轨道中大小相等、方向相反，可以相互抵消；而参考系拖拽对两条轨道的推动方向相同，叠加后信号反而增强，从而将相对论信号从巨大的噪声中分离出来。

Q3：这次实验对陈-西蒙斯理论有什么影响？

A：陈-西蒙斯理论是广义相对论的一种量子引力修正方案，它预测的参考系拖拽效应量级与广义相对论不同。此次测量将不确定性压缩至0.2%，虽未完全排除陈-西蒙斯理论，但大幅缩窄了其参数空间，排除了该理论大量可能的变体形式，为检验量子引力候选理论提供了迄今最严格的实验约束。

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