伽利略卫星导航系统（图片来源：欧洲航天局）
上世纪末，欧盟开始研制一套以意大利著名天文学家伽利略命名的卫星定位导航系统。该系统被称作是欧洲版的GPS（全球定位系统），它的目标也是要与过去由美国军方所研制的GPS分庭抗礼。
欧洲航天局计划在2020年前后完成整个系统全部30颗定位卫星的发射。但是在2014年的时候，伽利略系统第5、第6颗卫星的发射却出现了问题。这两颗卫星没有按照既定的路线进入轨道，而是在错误的位置上被抛下。
卫星定位系统是通过推算卫星的位置来确定地面上点的坐标。卫星需要进入到稳定的圆形轨道中才能正常施展其导航功能。而发射失败的这两颗卫星，被迫留在了椭圆轨道上。因此如果要进行补救，科学家就必须想出办法调整其运行轨道，但显然这项工作的难度颇高。
广义相对论预言的引力红移效应奠定了卫星定位技术的基础（图片来源：见参考文献）
不过最近，一些科学家却从中发现了可供研究的关键点。在椭圆轨道上的卫星正好可以每天与地球保持不同的距离。而根据爱因斯坦的广义相对论，不同的距离会形成不同的引力场，进而形成不同的时间差。发射失败的这两颗卫星，正好提供了一次千载难逢的验证广义相对论的实验机会。
首先，定位卫星均配备有高精度的原子钟。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的装置。原子钟的精度远远高于日常所使用的时钟，因此它广泛地应用在航海、航空、航天等项目中。实际上时间单位“秒”的物理学定义也是来源于此，原子钟最初是为了研究理论物理而发明的。现在两颗不能进行导航的卫星，反而可以发挥出原子钟原本的作用。
根据广义相对论，在引力场中的物体，其周围的时间会变慢。此前，科学家也曾经发射过重力探测器进行相关的研究，但持续时间不过几个小时，数据的精确度十分有限。而借由此次利用卫星的机会，研究人员可以进行更加长久的观测。通过卫星上高精度原子钟提供的数据，研究人员就可以进一步验证广义相对论的准确性。
利用实验验证广义相对论的机会通常很少（图片来源：pixabay）
2018年，在经过连续3年的观察与分析后，研究人员得出了最终的结果。与定位导航的原理相反，研究人员通过地面点推算出卫星的位置，再通过公式计算得出时间，最后与卫星上实际测得的时间进行比较。1976年美国航天局的测算结果以1.6%的精确度证明了爱因斯坦理论的正确性。此次新的结果不仅再一次表明了广义相对论至今仍未过时，还将过去实验的精确度提高了五倍以上。
在过去，已经有各种现象和实验完全符合爱因斯坦当初所作的预言。但是随着时间推移，理论物理学家们至今未能将广义相对论和量子力学统一起来，因此人们依旧会对它产生怀疑。这也是为什么科学家要不断地寻找广义相对论可能存在的漏洞的原因，终极的答案仍在等待发现。
在理论物理学领域，要通过实验验证广义相对论通常来说费时费力。自1976年的结果以来，科学家也很难有机会去提高测算的精确度。而这一次，研究人员利用发射失败的两颗卫星，成功完成了精度更高的观测实验，或许也给后来的研究者带来新的研究思路。未来的时间里，研究人员还将继续向更严苛的检验挑战。
原创稿件
制作 叶鹏飞
审校 于颖卓 中国科学院地理科学与资源研究所博士
参考文献：Delva, P., Puchades, N., Sch?nemann, E., Dilssner, F., Courde, C., Bertone, S., . . . Wolf, P. (2018). Gravitational Redshift Test Using Eccentric Galileo Satellites. Physical Review Letters, 121(23), 231101.
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