北京
阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論預言，像地球這樣的旋轉質量體會將時空結構隨之拖拽，形成永恒的漩渦。這一現象被稱為參考系拖拽效應，又稱倫斯-蒂林效應，得名于1918年對其建立數學模型的兩位物理學家。由于質量越大、旋轉越快，參考系拖拽效應越顯著，科學家此前主要在巨型黑洞周圍觀測到這一現象。
測量地球自轉如何扭曲時空要困難得多，因為地球的質量比典型黑洞輕數百萬倍，自轉速度也相對緩慢。
然而近日，由中國武漢物理與數學研究所物理學家Ignazio Ciufolini領銜的天文學家團隊，報告了迄今對地球倫斯-蒂林效應最精確的測量結果。這項研究將測量不確定性從幾個百分點降至僅0.2%，而完成這一壯舉所借助的衛星，外形酷似高爾夫球與迪斯科球的結合體。
這顆"迪斯科球"衛星名為LARES-2（激光相對論衛星2號），由意大利航天局研發。它是一顆由Inconel 718（一種致密的鎳鉻合金）制成的實心球體，表面鑲嵌303個角錐后向反射器，直徑略超40厘米，既沒有推進器，也沒有太陽能電池板，更沒有任何電子設備，重量為294.8千克。這種小體積與大質量的組合，使其成為中地球軌道上面積質量比最低的衛星。
這正是科學家所需要的，因為低面積質量比有助于將其他非引力的干擾降至最低。
"我們想要測量的是引力，"Ciufolini表示，"但存在非引力效應，例如光子撞擊衛星并對其施加推力。因此衛星必須質量很大、橫截面積很小，這樣光子產生的加速度才會極其微弱。"在理論物理學中，這類衛星被稱為"檢驗粒子"，即運動幾乎完全由引力場主導的物體。2022年7月，LARES-2由織女星-C火箭送入約12265千米高的軌道。
LARES-2就位后，研究人員開始用地面激光對其進行照射。
LARES-2上的后向反射器能將光束精確地反射回來源方向。Ciufolini及其團隊向衛星發射短激光脈沖，根據返回的光信號，可將衛星位置精確鎖定至約1毫米。從2022年7月至2025年6月，約20萬次此類觀測所構成的數據集，成為團隊測量地球參考系拖拽效應的基礎。
然而，即便如此精確的定位仍不足以達到團隊所追求的精度。
用地球軌道衛星測量參考系拖拽效應面臨的難題在于，地球并非完美的球體。其赤道隆起會對衛星軌道產生經典牛頓力，其量級比參考系拖拽信號大出數個數量級。Ciufolini數十年前與物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒合作時提出的解決方案，是使用兩顆處于互補軌道的衛星——即軌道傾角之和為180度。
"假設一顆衛星繞完美球形天體運行，其軌道就像一個陀螺儀，"Ciufolini說，在理想條件下，軌道平面及其空間朝向應保持固定，唯一改變該朝向的因素應是參考系拖拽效應。
"但地球并不是球形對稱的，"他補充道，"它是扁球體，這種扁率會改變軌道平面的朝向。"當兩顆衛星處于互補軌道時，牛頓攝動在兩個軌道平面中大小相等、方向相反，相互抵消；而倫斯-蒂林效應對兩個軌道平面的推動方向相同，因此代數疊加后，噪聲消失，相對論信號得以留存。
這正是LARES-2需要與其"前輩"LAGEOS衛星協同工作的原因。LAGEOS是美國航空航天局1976年發射的一顆專為高精度激光測距設計的衛星，LAGEOS與LARES-2的軌道傾角之和為180.01度，研究團隊認為這已足夠接近。
然而，地球的不規則形狀并非唯一挑戰。
通過巧妙的幾何抵消解決牛頓噪聲后，仍需應對一種名為K1日月潮汐的干擾——來自月球和太陽的引力擾動會調制地球引力場。"太陽和月球改變了地球形狀，地球形狀的變化又改變了其周圍的引力場，進而稍微改變衛星軌道，"Ciufolini說，"這次實驗最大的挑戰就是消除這一潮汐分量的影響。"
團隊的解決方案是恰好收集一個完整的1050天衛星進動周期內的數據。在此期間，該潮汐擾動因周期和相位已知而被平均消除，并從數據中剔除。
在消除潮汐信號及其他六個已知周期在135至910天之間的較小潮汐分量后，研究人員從兩顆衛星聯合軌道中提取出一個清晰而穩定的漂移信號——每年約61.3毫角秒，這正是時空扭曲的特征。
最終測量值與愛因斯坦廣義相對論的預測高度吻合，根據統計模型，誤差僅為千分之一至千分之二。
這次測量再度印證了廣義相對論，但Ciufolini認為其真正價值在于對其他理論的排除。廣義相對論與量子力學之間存在根本矛盾，盡管科學界為調和二者做出了大量努力，但迄今未果，廣義相對論也無法解釋暗能量。陳-西蒙斯理論是從量子引力框架中涌現出的主要替代方案之一，它對愛因斯坦方程進行了修正，引入了數學修正項，以期在量子力學與引力必須共存的極小尺度上發揮作用。
盡管陳-西蒙斯理論尚未完全調和愛因斯坦物理學與量子力學，也未提供公認的暗能量解決方案，但許多物理學家認為它讓我們離"萬物理論"又近了一步。問題在于，該理論對參考系拖拽效應的預測量級與廣義相對論不同。"通過精確測量參考系拖拽效應，我們得以對陳-西蒙斯理論的預測范圍設定限制，"Ciufolini說。這次測量并未完全排除該理論，但大幅縮窄了其參數空間，排除了其大量可能的變體形式。
Ciufolini的研究還有一些更貼近地球本身的意義。通過從衛星追蹤數據中精確識別并濾除K1潮汐引起的引力擾動，這項實驗還給出了該潮汐強度的更精確測量值，這一額外發現有望為地球科學提供新的洞見。"我的中國同事告訴我，如果我們提升對潮汐的認知，就能間接改進對地震的研究，"Ciufolini說。他相信這項實驗會持續產出成果。
"這些激光測距衛星有一個獨特的特點：它們可以運行數百年，"Ciufolini說，"等待的時間越長，積累的數據越多，參考系拖拽測量的結果就會越好。也許再等100年，它們將變得對理論物理學更有價值。"
本研究發表于《自然》雜志，2026年。DOI: 10.1038/s41586-026-10715-0
Q&A
Q1：LARES-2衛星為什么要做成實心金屬球、不加任何電子設備？
A：這是為了盡可能減少非引力干擾。衛星質量越大、橫截面積越小，光子撞擊衛星產生的加速度就越微弱，衛星的運動就越接近理論上只受引力支配的"檢驗粒子"狀態，從而讓科學家能從其軌道變化中干凈地提取出參考系拖拽這一極微弱的廣義相對論效應。
Q2：LARES-2和LAGEOS為什么要搭配使用？
A：地球赤道隆起產生的牛頓力對衛星軌道的影響，比參考系拖拽效應大出數個數量級。將兩顆衛星布置在軌道傾角之和為180度的互補軌道上，這種牛頓攝動在兩條軌道中大小相等、方向相反，可以相互抵消；而參考系拖拽對兩條軌道的推動方向相同，疊加后信號反而增強，從而將相對論信號從巨大的噪聲中分離出來。
Q3：這次實驗對陳-西蒙斯理論有什么影響？
A：陳-西蒙斯理論是廣義相對論的一種量子引力修正方案，它預測的參考系拖拽效應量級與廣義相對論不同。此次測量將不確定性壓縮至0.2%，雖未完全排除陳-西蒙斯理論，但大幅縮窄了其參數空間，排除了該理論大量可能的變體形式，為檢驗量子引力候選理論提供了迄今最嚴格的實驗約束。
Ars TechnicaIgnazio CiufoliniLAGEOSLARES-2
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