(0)
不是标题党，这个故事真的有教授裸泳。也别关心神马公审了，这个故事会有趣得多。
时间是1959年，地点是美国斯坦福大学(Stanford University)。物理系主任伦纳德·希夫 (Leonard Schiff)教授正在恩西纳体育馆(Encina Gymnasium)的室外游泳池里裸泳。恩西纳体育馆现在已经不在了(在2004年被拆除)，当时它的室外游泳池是男子专用，女性禁入(女子游泳池在校 园的另一头)，四周围着高墙，所以裸泳成风。据说希夫有个雷打不动的日程，就是每天中午游上400米，然后在日光浴的同时享受午餐。
希夫是1915年出生的。他14岁进入俄亥俄州立大学(Ohio State)，18岁获得学士，22岁在麻省理工(MIT)获得博士，23岁和奥本海默(Robert Oppenheimer)共事两年，27岁成为宾州大学(University of Pennsylvania)物理系代理系主任，30岁再次加入奥本海默团队，参加研制原子弹，32岁加盟斯坦福，33岁成为斯坦福物理系主任。整个人生可 以说是少年得志，平步青云。
另外两个教授是物理系的威廉·费班克(William Fairbank)和宇航系的罗伯特·坎农(Robert Cannon)。(为啥谷哥翻译一口咬定Fairbank就只能是费正清啊？晕倒。)两个人都是今年刚刚加入斯坦福的，论资排辈的话基本在最尾，可以理解 想排上面见希夫的日程比较困难。好在费班克知道希夫的午泳习惯，就拉着坎农在那天中午一起裸泳。
(1)
希夫看见费班克，有点惊讶，说:“哎，你怎么来了？不会又是说陀螺那件事吧？”
这三个教授的裸泳对话比较简短，只是没有些背景知识的话，大家基本看不懂。所以从现在开始的行文呢，一般是教授讲几句话，我就写些简单介绍和评论。
这个希夫呢，是理论物理学家，负责空想空谈，和爱因斯坦(Albert Einstein)是一路的。事实上他近两年琢磨的就是广义相对论，具体的说就是希望用人工实验来验证广义相对论。因为广义相对论的效应都非常微弱，能够 被仪器测量的效应往往需要动用质量极其巨大的物体，诸如太阳、黑洞、星系等等，所以广义相对论的验证多数来自于天文观测，诸如水星进动、重力透镜、脉冲双 星等等。在人工控制的环境下做实验验证广义相对论的极少，今天如此，54年前就更是如此。
倒不是没人想过，空想嘛，谁不会呢。 比如在1924年，英国的亚瑟·爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)，就是那个在日食的时候拍到太阳折射星光而首次验证广义相对论的那位，曾经“想”过用陀螺或者钟摆，在实验室里验证地球的广义相对论 效应；1930年，英国的特里克·布莱克特(Patrick M. S. Blackett)，就是那个因为发明了探测宇宙射线的云室而拿诺贝尔奖的那位，曾经“深度想”过研制陀螺验证广义相对论，并得出结论认为在技术上是不可 能的。两年前(1957年)希夫加入了这个空想行列，写了篇论文，具体计算了陀螺，如果能够做出来的话，在地球重力场内的测地线进动(geodetic precession)和参考系拖拽进动(frame dragging precession)应该是多少。
啥是测地线进动和参考系拖拽进动?这个写起来可能又是洋洋洒洒一大篇，咱们还看不看教授裸泳了？不过，不写点背景知识恐怕后面的对话更难理解，就随便扯几句。广义相对论说物体，比如地球，导致时空弯曲。三维空间的弯曲比较难想象，让我们用二维空间作比喻:
测地线进动
在如图的一个二维空间，二维生物正在做实验。红色箭头代表陀螺转轴方向，永远保持不变。让我们拉着陀螺饶圆周一圈: 在起点1的位置，红色箭头和径向线(蓝色虚线)的夹角为0；在2位置，夹角为45度；在3位置，夹角为90度；。。。；在7位置，夹角为270度；在8位 置，夹角为315度(-45度)；回到1位置，夹角为360度(0度)。
现在让二维空间弯曲，形成圆锥形，实质上就是把整圆切掉一块扇形，如图中蓝色阴影所示。重复刚才的实验，在7位置，红色箭头和径向线夹角为270度；在8 位置，夹角为315度(-45度)。因为空间弯曲，8位置和1位置重叠。对二维空间的实验者来说，他看到的是红色箭头已经回到原地，但是方向和径向线有 -45度夹角。这个顺着运动方向形成的夹角，就是测地线进动。
三维空间的测地线进动是同样的原理。如果一个陀螺不断环绕地球，你会发现它的中轴慢慢向前(即顺着绕地轨道的方向)倾斜，环绕地球足够多次的话，陀螺中轴 会翻滚360度甚至更多。没有任何外力导致这个翻滚，它完全来自地球引起的时空弯曲。如果把地球拿掉，陀螺中轴就不会如此翻滚。
广义相对论不但认为静态的物体导致时空弯曲，而且认为旋转的物体则会拖拽时空，导致额外的时空弯曲，一如水中旋转的皮球会带动周围的水旋转。由这个时空弯曲引起的进动叫做参考系拖拽进动。
如果一个陀螺沿着极地轨道不断环绕地球，你会发现它的中轴顺着南北向慢慢向前(即顺着绕地轨道的方向)倾斜，同时你会发现它的中轴自西向东慢慢向前(即顺着地球自转的方向)。地球同时引起测地线进动和参考系拖拽进动。希夫给出的两个进动的公式是:
(2)
费班克笑着回答:“还真是那事。”
希夫有点惊讶:“嗯，你不是说过陀螺不可能实现么？”
希夫在1957年写完了论文就把它束之高阁，因为他不是实验物理学家，不会动手作陀螺。直到两年后他看见<<今日物理学>> (Physics Today)的一个广告，说的是喷气推进实验室(JPL)的一项最新成果。他们做了一个超导球，在超低温下靠磁力悬浮，完全摈弃了传统的环架，以及环架带 来的对陀螺的机械影响。希夫猜想，如此先进的陀螺也许会让验证测地线进动成为可能。他需要一个低温超导行家，于是找到了费班克。
费班克在耶鲁(Yale University)做研究生主攻的方向就是超导和低温物理，他是美国第一个观察到液氦的第二声音(Second Sound)现象的人。毕业后他在阿默斯特学院(Amherst College)和杜克大学(Duke University)做教授，今年刚刚加盟斯坦福。在他看来，JPL的超导球悬浮在4K温度环境下没啥稀奇的。4K算神马？2.5K，1.8K，都不是 不能做到。美国第一个超低温实验室是JPL么？错，是耶鲁！JPL整个一班门弄斧！
费班克建议在赤道建个超低温实验室，用液氦把陀螺冷却到4K以下，用电力把陀螺悬浮在空中，然后把陀螺的旋转中轴指向一颗恒星。以实验室为参照系看，陀螺 的中轴似乎是每24小时翻一圈跟斗，但其实陀螺中轴不过是紧盯着恒星，随着天空的东升西落而看着像是在翻跟斗。如此持续1年，即让陀螺沿赤道绕地球365 圈后，陀螺中轴应该稍微偏离恒星一丁点，显示出测地线进动。
问题在于，这一丁点进动非常微小，大约是一年累计几百毫角秒(milliarcsecond)的样子。希夫设想的实验精度是1%，所以陀螺中轴的漂移误差 不能超过每年1毫角秒。(1毫角秒 = 360万分之一度)。在这个精度要求下，希夫和费班克简单地估算了一下，陀螺重心和旋转轴的偏差不能超过百亿亿分之六(6x10的-18次方)，在一个乒 乓球大小的陀螺上，相当于比单个硅原子还要小10亿倍！在工程上这显然是不可能完成的任务。又比如，安放在地面的望远镜，它的自重就导致130毫角秒的图 像偏差，如何能够做到1毫角秒跟踪恒星精度？等等。难怪布莱克特在1930年对陀螺验证广义相对论望而生畏。
所以两个人便各自散了，赤道实验室嘛也不了了之。
所以希夫有点惊讶费班克旧事重提。
(3)
费班克介绍说:“这是宇航系的坎农教授，陀螺专家。”
坎农说:“希夫教授，你好。费班克教授已经告诉我你们的设想，我想说的是你要的陀螺是做不出来的。”
坎农来自麻省理工的机械系。陀螺，是他的专长之一。他曾经在工业界/军界做过几年。先是给飞机做导航陀螺，中轴漂移误差是每小时一度。后来给穿越北冰洋首 次到达北极的美国鹦鹉螺号核动力潜艇(USS Nautilus)做导向陀螺，提高精度百余倍，中轴漂移误差达到了每周一度。回到麻省理工做教授以后，他发现麻省的团队做陀螺也只是达到他的精度水平， 于是给自己设定了一个他认为配得上教授称号的目标，即在有生之年把陀螺精度再提高5千倍，达到每世纪一度，也就是每年36000毫角秒。
所以当费班克说他要陀螺精度达到每年1毫角秒，坎农的第一反应是绝无可能。
(4)
希夫说:“嗯，这个我已经知道了。你能不能报点我不知道的料？”
坎农回答:“这个可以有。虽然陀螺做不出来，但你们的实验可能做得出来，只是要换个地方，比如在太空。”
希夫一愣，心想在太空做实验，这的确是个好主意啊。陀螺中轴的漂移误差，除了和陀螺重心偏差有关，也和陀螺受力有关。在地面上陀螺承受1g的引力，在太空 成为自由落体，几乎完全失重。如果刨去重力场，重心和球心的偏差要求至少可以放宽10的8次方。如果进一步刨去空气阻力，把陀螺周围抽成真空(在太空做到 这点也比在地面方便些)，那么偏差要求可以再放宽10的3次方，也就是偏差不能超过千万分之六(6x10的-7次方)，20纳米数量级，大约100个硅原 子的长度。这个在工程上虽然困难，但已经不是不可能!
更妙的是，在太空做自由落体，围绕地球一圈不需要24小时。在600公里的近地轨道(LEO)高度，一圈只需要1.5小时。也就是说，同样做一年实验，太 空实验室多绕地球15倍的圈数，累计的测地线进动也就放大15倍，达到了6606毫秒角。不仅如此，原先希夫以为不可能测量的参考系拖拽进动，现在也成为 可能。因为15倍的放大，现在参考系拖拽进动是39毫秒角，完全可能达到1-3%的实验误差精度。
太空陀螺实验
(5)
希夫问:“太空实验室，主意倒是不错。但是有可能么？”
希夫这么问，有他的道理。1959年，苏联第一颗卫星两年前刚刚上天，美国第一颗卫星一年前刚刚上天，目前两国的火箭团队正在太空竞赛谁先上月球。这个比 赛，在大众、媒体看来非常精彩纷呈，但业内的都清楚，两国火箭团队不过是在放一个比一个大的爆竹，看谁的火箭蛮力大，可以够到月球。这和陀螺实验需要的无 须蛮力的近地环绕、但须超级精准的太空实验室是两条路。希夫有点担心，太空实验室是在画大饼。空谈空想有他一个就够了，不需要其他教授帮忙。
但是希夫不知道，陀螺只是坎农的专长之一。坎农的主业是航天，他和美国航空航天署(NASA)关系非常近，知道当时NASA正在进行的的机密项目。比如， 他知道双子座计划(就是后来的阿波罗登月计划的先导项目)团队正在研发Agena无人飞船，此飞船用於太空对接，对精度要求很高的说。如果稍加改进，也许 就能用于陀螺实验。而且他还知道NASA已经有计划建造太空天文台的中远期计划，最悲观的预期是陀螺实验在太空实验室进行。不过他认为斯坦福可以在此之前 就说服NASA专门为这个实验建立一个项目，不需要等到太空实验室的完成。
就这样，三个教授一起裸泳，让一个多位大牌物理学家都认为不可能的物理实验变成可能，完成了0到1的转变，好完美的故事！
不幸的是，生活从来不是完美的。在0变到1之前，三个裸泳教授中的两个将去世，另一个将离开斯坦福，NASA将取消项目，甚至沙特王室也有戏份。
(6)
1961年，费班克正式向NASA提出申请，说斯坦福团队想做一个太空陀螺实验，绝妙无比，希望NASA能够拿出N亿美元来支持。费班克对NASA说，这 个实验的设计非常简单: 把一个陀螺(为降低风险和提高精度，实际设计用了4个陀螺)和一架望远镜发射到太空，外面包上壳，壳里面真空、低温、无磁、无电，陀螺/望远镜成为理想自 由落体，绕地球极地轨道一年。这一年里，望远镜永远指向某颗恒星，陀螺中轴方向则被仔细测量，和望远镜的夹角变化可以验证相对论。
这个申请在NASA的眼中是这样的:
在太空搞一个比太空辐射背景(自然界可能达到的最低温)还低得多的1.8K的超低温环境? 没人知道怎么做。
无视地球磁场、太阳风等等，在太空搞一个10的-14次方高斯的无磁环境? 没人知道怎么做。
无视空气干扰、阳光压力等等，在近地轨道做理想自由落体的变轨? 没人知道怎么做。
做一个纳米级光滑的圆球? 没人知道怎么做。
别扯制造，哪位斯坦福的大侠能先告诉我怎么测量纳米级的圆度和均匀度？
误差只有1毫秒角的望远镜，相当于纳米精度的图像识别。可是望远镜镜片光学极限是微米级，咋办？ 没人知道。
星光从“高温”的太空射到1.8K的望远镜，中间降温、绝热怎么做？ 没人知道。
啊，有没有人注意到相机感光芯片在1.8K下无法工作？有没有人?
...
这简直就是“十万个不知道”项目!简单?简单你个鸟啊！谁敢冒然上马如此难度的项目?
也是赶巧了，1962年9月，肯尼迪发表了著名的登月演说，“我们决定在未来的十年内做登月等等事情，不是因为它们很容易，而是因为它们很难。” (...We choose to go to the moon in this decade and do the other things， not because they are easy， but because they are hard...)一时间，NASA变得非常飘飘然，啥事难做做啥事，斯坦福的太空陀螺实验来的正是时候。
无独有偶，另一个美国政府部门，空军，也有类似的口号，“困难的事，我们马上就做！不可能的事，给点时间照样做！”(The difficult we do immediately. The impossible takes a little longer.) NASA和空军联合出资，于1963年开始出资支持太空陀螺实验。
当然了，NASA和空军愿意支持斯坦福的真正原因，还是在太空陀螺实验本身。他们清楚地认识到，在这个极其困难的实验背后，是一项项可以被更多民用、军用 项目利用的尖端技术。例如，在太空长期保持1.8K超低温的技术，完全可以应用于今后的远红外卫星、远红外望远镜，比如后来的红外线天文卫星 (IRAS)，史匹哲太空望远镜(Spitzer Space Telescope)，等等。又例如，超高精度的定向技术，让哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)能够拍摄到史无前例深空天体。至于超高精度的陀螺、持续变轨等等能够给空军带来什么，就毋须多言了。
所以，NASA的方法是，出资支持斯坦福搞技术可行性研究，把一个高难度的实验分解成一系列的技术攻关，然后在各个航天项目中分别测试、完善每项技术。当各项技术都完备了，再整合成一个实验发射升空。
(7)
最先开始的是陀螺球的研制。1964年斯坦福和霍尼韦尔(Honeywell)公司合作，开始设计工作。因其史无前例，前后出现很多设计方案，比如实心铍球，空心铍球，实心镀铌石英球，空心镀铌石英球，等等。谁都没有想到，这一做就是20多年。
为什么这么难呢？
最近(2005年)国际度量衡委员会决定重新定义质量单位千克。目前(2013年)有几个定义方案，其中一个是所谓的“原子数量法”，即做一个和国际千克 原器完全等重的硅-28圆球，然后数出此球的原子数量，以此定义质量单位千克。为了制造这个硅-28圆球，俄德澳三国联手出击: 首先，俄国人启动冷战时期苏联的离心机，分离同位素，取得一批极高纯度的硅-28；其次，德国国家计量院(National Metrology Institute)拿这些硅-28做晶体成长，经过连续六次失败，终于在第七次成长出了高品质硅-28晶体；最后，澳大利亚精密光学中心(the Australian Center for Precision Optics)聘请退休的老师傅出山，手工打磨数月，制造出两个直径为93.75毫米的纯硅-28圆球。因为这两个球的高低差只有60-70纳米，在报导 这个消息时，媒体用了“世界上最圆的球”做标题。
但是，如果把这个2013年的高科技杰作送回50多年前，太空陀螺实验团队会在第一时间把它归类为不合格品 --- 这个球还是不够圆啊！太空陀螺实验团队的陀螺球，直径38.1毫米、高低差不到10纳米，是硅-28圆球误差的一半。更何况2013年的硅-28圆球并没 有零磁场、零电场、零变形等等要求，可想而知陀螺球研制的难度了。
陀螺球
(8)
定向望远镜的研制也很快展开了。斯坦福团队设计的是一个光圈0.14米、焦距3.81米、结构紧凑的卡塞格林(Cassegrain)反射式望远镜。最初 他们用常规的镜筒+镜片，但很快发现这个结构非常不可靠，很难扛住火箭发射的颠簸。于是设计改成用一整条石英做望远镜身，两头镀膜做反射镜片。
0.14米的光圈有1.8角秒的最小弥散圈，太空陀螺实验的精度要求却是1毫角秒，是最小弥散圈的两千分之一。怎么办？斯坦福团队的设计是制造一个屋顶棱 镜(roof prism)，棱镜的屋顶结构把射入望远镜的星光一劈为二，分别射入两个感光芯片。通过对这两个光信号强度的对比，来断定望远镜是否正对恒星中央。
这个设计的关键有两个，一个是屋顶棱镜精度要求极高，屋顶结构必须是纳米级精度；另一个是感光芯片信号敏感度要求极高，几个光子的差别就得测出来。
1965年首个定向望远镜制造完成。在常温下测试顺利，但是一做超低温测试，居然跑焦5厘米！严重失败！
定向望远镜 (顺便扯一句，望远镜团队发表的文献，首席作者好像都是同一位华人女性，Suwen Wang(王素雯？音译，不是很确定)。)
1970年，坎农离开斯坦福，就任美国交通部副部长。
1971年1月，希夫去世。
太空陀螺实验项目陷入了空前的低谷。
(9)
太空陀螺实验项目的第一个重大突破，出现在1973年。坎农麾下的教授丹·代布拉(Dan Debra)成功进行了无拖拽飞行，首次实现理想自由落体的变轨。
代布拉的这次飞行控制是在美国海军导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System)的一颗卫星上进行的。海军导航卫星系统是著名的全球定位系统GPS系统的上一代系统，在60-80年代非常有名，成千上万的舰船都用这个系 统导航，甚至苏联战舰也有用此系统的。这个系统的十颗卫星，在离地1100公里的轨道飞行，绕地时间106分钟，比较接近斯坦福太空陀螺实验的设计轨道参 数。NASA给代布拉一颗卫星，让他用程序控制该卫星的变轨发动机，分分秒秒对抗空气绕流、阳光压力等等，走出理想自由落体的轨道。代布拉成功地实现了 5x10的-12次方g的超低拖拽(即此卫星内部的物体，除了自由落体的加速度外，感受到的其他加速度小于5x10的-12次方g)，超过太空陀螺实验的 设计指标(10的-10次方g)20倍，并且连续保持此状态两年。
“5x10的-12次方g的超低拖拽”，是太空陀螺实验的基石。只有有了如此超低的拖拽，纳米级光滑圆球才有意义。前文曾经说过，理论上陀螺重心和旋转轴 的偏差不能超过百亿亿分之六(6x10的-18次方)，超低拖拽需要抵消10的-11次方，剩下的10的-6次方需要纳米级陀螺球实现。如果代布拉失败 了，纳米级陀螺也就不必继续做了。
代布拉的成功，证明当年坎农在泳池里所言非虚，可惜希夫已经不能亲眼看见。
(10)
1976年NASA成功发射一颗卫星，重力探测器A(Gravitiy Probe A)。这个卫星(其实说卫星比较牵强，因为这个东东在天上只逗留了不到2个小时，就掉进大西洋了。)携带了惰性氢微波激射器原子钟(Hydrogen Maser)。在整个上升过程中NASA记录了原子钟的时间，和地面的原子钟相比较，证实越是远离地球，原子钟走得越快，其增快幅度符合广义相对论的计 算。实验的误差是0.007%。
尽管重力探测器A是验证广义相对论，它和斯坦福没有任何关系。重力探测器A是史密森天文台(Smithsonian Astrophysical Observatory)和NASA合作的产物。
之所以提及这个项目，是因为自此以后，斯坦福的太空陀螺实验就被命名为重力探测器B(Gravity Probe B)。
和重力探测器B相比，重力探测器A虽然简单，但它也属于少数的、在人工控制的环境下做实验精确验证广义相对论。而且它的实验结果被广泛地运用到了GPS定位系统(其实是所有卫星定位系统，比如伽利略、格洛纳斯、北斗等等)。
(11)
1981年，哥伦比亚号(Columbia / STS-1)航天飞机成功发射和降落，重力探测器B团队无不欢呼雀跃。对太空实验来说，航天飞机太理想了。它不但是发射平台，而且可以把实验室安全送返地 面。重力探测器B团队的计划是，让航天飞机先把杜瓦瓶(Dewar，即低温保温瓶，即整个实验室减去望远镜和陀螺仪)送上太空一次做检测；返回整修后，加 上望远镜和陀螺仪再上太空一次做检测；返回整修后，最后上太空做一年的正规实验。按步就班，把风险降到最小。
1982年，红外线天文卫星(IRAS)成功发射。在IRAS卫星上，载有一个装着73公斤液氦的杜瓦瓶。利用液氦汽化的过程，杜瓦瓶让IRAS的感光芯片在2K的超低温下持续工作。这是液氦杜瓦瓶在太空卫星上的首次应用，也是重力探测器B杜瓦瓶技术的可行性验证。
重力探测器B杜瓦瓶
1985年，经过长达21年的努力，斯坦福团队终于制造出了符合实验设计精度的实心镀铌石英球。
聚沙成塔，集腋成裘，重力探测器B的各项工程技术都逐渐到位。NASA甚至已经确定，重力探测器B首次搭乘航天飞机的日期在1989年，整个实验胜利在望。
但是...
(12)
1986年，挑战者号(Challenger)航天飞机爆炸，所有计划搭乘航天飞机的项目，包括重力探测器B，遭受沉重打击。
重力探测器B团队先是被告知，所有航天飞机停飞两年半，相当于所有项目都向后推迟两年半。然后再被告知，航天飞机在加州的范登堡空军基地的发射被永久取 消。因为实验的设计，要求重力探测器B的轨道必须绕极地运行，同时轨道平面必须和指向恒星重合，所以重力探测器B必须在美国西部发射。取消航天飞机在加州 的发射，等于宣布重力探测器B无法搭乘航天飞机，而需要搭乘常规火箭。
这极大地影响了重力探测器B的整个研制工作: 没有航天飞机，意味着发射的卫星能上不能下。除非另外设计卫星回收，但这将完全改变卫星设计，并大幅度提高发射成本。NASA已经不是阿波罗时代的 NASA了，口袋里不再有无限的经费，挑战者号爆炸更是消耗了NASA的预算。所以，NASA给斯坦福的指示是，没有按步就班的来回检测、整修了，把重力 探测器B做好点，一次发射升空后直接进入正式实验。这个要求是非常苛刻的，做过任何实验的泡菜们都可以回想一下，有哪次实验你是第一次就顺利完成的？
没有航天飞机的另一个挑战是搭乘常规火箭，对重力探测器B来说，几乎可以肯定是搭乘空军的德尔塔-2(Delta II)运载火箭。德尔塔-2运载火箭加速度要比航天飞机大，可变轨能力却更弱。换言之，重力探测器B会搭乘一个更加颠簸、同时更加容易错过设计轨道的发射 平台。这对浑身是精密仪器的卫星无疑是场恶梦。
重力探测器B团队没有其他办法，只能重新回到设计台，围绕德尔塔-2运载火箭引发的新的设计要求，检查和改良每一个部件。大尺寸部件被迫改小，以塞入运载火箭的顶部；相对松垮的部件被迫重新设计，以保证在运载火箭的大加速度颠簸中不会散架。
(13)
1989年9月，费班克去世。重力探测器B的重担，完全落到了他麾下的教授弗朗西斯·埃弗里特(Francis Everitt)肩上。
埃弗里特和重力探测器B的渊源非常深。他在伦敦大学帝国学院(Imperial College，University of London)攻读博士的时候，导师就是前文说过的、“深度想”过陀螺实验又决定放弃的、英国诺奖得主布莱克特。后来他在宾州大学发现液氦的第三声音 (Third Sound)现象，可以说又是在步费班克的后尘。1962年费班克把他拉入斯坦福后，就一直在重力探测器B团队。
如今前辈都已作古，埃弗里特是否能够避免布莱克特的覆辙？是否能够接过战旗、完成费班克未尽的事业？
重力探测器B
1990年4月24日，哈勃太空望远镜成功发射。在解决了镜片错误后，哈勃拍摄的星空照片轰动全球，成为立刻的经典。哈勃拍摄的成功，很大部分源于它的防 抖技术。它的三个指向望远镜能够把哈勃牢牢地定位在同一方向，反复拍摄，然后合成噪点超低的照片。哈勃指向望远镜运用了和重力探测器B类似的(但不完全等 同的)技术，在某种程度上验证了重力探测器B的技术，只是精度差点: 哈勃的定位误差是7毫角秒/年，重力探测器B的的定位误差是0.1毫角秒/年!
(14)
又经过了14年的紧张制造、试验、整合、调制、检测，重力探测器B终于在2004年4月20日在加州的范登堡空军基地升空，并且成功进入极地轨道。
即便是火箭发射，这个相对来说是整个重力探测器B项目最简单的环节，也不那么简单。据说火箭的发射窗口只有1秒钟，早了晚了都不行。为什么呢？根据实验的 设计，要求重力探测器B的轨道必须绕极地运行，同时轨道平面必须和指向恒星飞马座IM(IM Pegasi)重合。这样的轨道只有一条，火箭发射场因为地球自转也只会每24小时扫过轨道一次。根据实验的精度，重力探测器B上轨道的误差只能是±2 秒，即4秒的范围。刨去德尔塔-2运载火箭的精度误差2秒，再打50%的工程安全余量，就只剩1秒的发射窗口了。
飞行的最初128天是重力探测器B的校准和验证期，校准和验证所谓的"七大零"(Seven Zeros)指标:
陀螺机械圆整度 < 50纳米 (实际达到 10纳米)
陀螺材料均匀度 < 百万分之3 (实际达到 千万分之3)
陀螺电子圆整度 < 千万分之5
温度 < 1.95开尔文 (实际达到 1.8开尔文)
非重力拖拽加速度 < 10的-10次方g (实际达到 5x10的-12次方g)
背景磁场 < 10的-6次方高斯 (实际达到 10的-7次方高斯)
真空压力 < 10的-11次方托 (实际达到 10的-11次方托)
四个陀螺于2004年7月14日开始旋转。
科学数据的采集从2004年8月28日开始，到2005年8月13日结束。
重力探测器B集欧美(至少美、英、德都为项目作出显著贡献)工程科技之大乘，在地球642公里上方，制造出了4个3.82厘米x3.82厘米x3.82厘 米x1.5年的四维空间，空前逼近理想自由落体环境。它是人工可控环境下广义相对论精确测量的巅峰之作。它前无古人是肯定的，是否后无来者不好说，也许和 阿波罗计划一样，有无来者取决于有金钱且有意志的国家的出现。(是的，就是说你呢，中国航天界)
这回总该是完美的结局了！
不幸的是，生活从来不是完美的。
(15)
2004年8月28日开始的正式科学实验阶段仅仅几天，重力探测器B团队就观测到了一个令人费解的现象。情况是这样的：一个理想的球体，当它快速旋转的时 候，如果没有任何外力干扰，其旋转轴的指向是恒定不变的。重力探测器B的陀螺球并非理想体，环境外力也并非绝对为零，所以科学家事先就知道，陀螺球的旋转 轴会变化，会在空间画出轨迹，称为本体极迹(polhode)。
整个重力探测器B实验，就是测量陀螺球的旋转轴方向，所以本体极迹就是实验误差。前文说过的项目七大零指标，花了无穷人力物力，无非是希望把本体极迹控制在0.5毫角秒/年的范围。
而现在团队注意到一个现象，就是陀螺球的本体极迹的漂移，比事先预料的要大，在某些时候甚至会突然跳跃变化，其幅度大大超出了0.5毫角秒/年。团队里没人能够立刻给出如此变化的解释，也没人能够立刻看出这些变化有何规律，换言之，这些变化似乎是随机噪音。
实验一天天在继续，团队发现了另一个令人不安的情况：陀螺球的旋转速度在不断下降。如果实验环境真的达到了七大零指标，陀螺球的旋转速度应该在实验阶段基 本恒定。这再次告诉人们，实验的某个环节有差错。同样的，团队里没人能够立刻给出如此变化的解释，虽然变化的规律非常明显---陀螺球的旋转速度按对数规 律递减。
因为是太空实验，无法中断、调查、修改、重做实验，有再多的问题，也只能继续进行实验。真是屋漏偏逢隔夜雨，2005年3月，实验阶段刚刚过半，太阳突然 大爆发，太阳风强烈干扰重力探测器B的科学仪器，报废整整两个星期的数据。这就是为什么现在公布的重力探测器B的数据里，总有一个空白期，画的数据图，总 有一个小缺口。
为期一年的科学实验阶段结束的时候，斯坦福团队内部的气氛很紧张。初步的数据分析表明，预料之外的这些问题引起的误差和参照系拖拽进动的数量级相当，换言之，误差已经淹没了参照系拖拽进动的数据。测地线进动，因为比参照系拖拽进动明显170倍，并没有被误差淹没。
当然，还有一个极小的可能是，实验并没有出错。测量到的“噪音”可能是广义相对论出错的证明。重力探测器B团队决定，趁杜瓦瓶里还有剩余的液氦，开展所谓 的“后科学校准”。即调节各个仪器和环境指数，看测量到的误差如何化，希望从中发现误差的来源，或者找出广义相对论出错的证明。后科学校准期从2005年 8月14日开始到2005年9月29日液氦消耗殆尽而结束。
(16)
2006年9月，重力探测器B项目团队发表了初步实验结果: 测地线进动是−6673 ± 97毫角秒/年，参考系拖拽进动误差过大暂无结果。团队首席科学家(Principal Investigator)埃弗里特说，团队正在全力寻找误差原因和补救方法，现在已经稍有头绪，但是需要更多时间做分析和计算，希望NASA能够继续支 持斯坦福，给他们5年时间。
陀螺旋转轴数据
此消息传出，物理学界和航天界一片哗然。早在重力探测器B发射之前，就有不少科学家反对这个项目。他们认为，2004年已经不是1959年，现在的科学界 已经普遍接受广义相对论，还有必要做实验验证它么？7.5亿美元哦，可以支持多少其他的科学项目？当时斯坦福团队就努力反驳这样的观点，认为如果不做实验 验证，哪能肯定广义相对论一定正确。NASA也力排众议，说7.5亿已经花了，变成了安放在火箭顶部的一堆精密仪器，现在下马重力探测器B无异于白白浪 费，对任何其他科学项目都没有帮助。
现在斯坦福出来说实验有误，需要NASA追加投资，当初反对的声音就更响了。NASA承受的压力也很大，对斯坦福说，按计划重力探测器B团队有一笔实验数据分析预算，大概够用一年的，现在到期了。追加投资这事，你看反对的声音这么大，可能么？
在埃弗里特看来，已经花了7.5亿，再有5百万支撑数据分析就能够成功了，只有天大的傻瓜才不追加投资。好比买个151元的手机，150元都付了，还差这 最后1元么？当然前提是付了这最后1元你真的能够拿到手机。显然埃弗里特对拿到手机、对自己的团队找出补救办法充满信心，他需要做的就是给团队争取到经 费。他找到了他恩师费班克的小儿子，理查德·费班克(Richard Fairbank)。埃弗里特从小看着理查德长大，现在他已经是美国一家大银行Capital One的总裁了。理查德在埃弗里特的劝说之下，同意给项目团队50万美元，条件是斯坦福大学和NASA也投入同样多的钱。理查德用美式足球作比喻，说“重 力探测器B项目已经在1码线上，再努力一把就能冲过底线得分了”，当然要出绵薄之力。就这样重力探测器B团队获得了150万资金，支撑到了2008年。
(17)
2008年5月，美国航空航天署(NASA)聘请了15位专家，对当时正在运行的10个太空物理实验进行评估。专家们对其中9个实验给予了高度肯定，说这 些实验的每一个都能够给科学界提供独特的、极高价值的数据(deliver unique data of high scientific value)，建议航空航天署，即使面临预算困难也要保证这些实验的继续进行，甚至追加某些实验的投资，延长它们的运行年限。这10个项目分别是:
1. 雨燕伽玛暴快速反应探测器(Swift Gamma-Ray Burst Mission)
2. 钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory)
3. 星系演化探测器(Galex Galaxy Evolution Explorer)
4. 朱雀X射线天文卫星(Suzaku) 日美联合
5. 斯皮策空间望远镜(Spitzer Space Telescope)
6. 威爾金森微波各向異性探測器(WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
7. XMM-牛顿卫星(XMM-Newton X-ray Multi-Mirror Newton) 欧
8. 国际伽玛射线天体物理实验室(Integral International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) 欧俄美联合
9. 罗西X射线计时探测器(Rossi X-ray Timing Explorer)
10. 重力探测器B(Gravity Probe B)
第10个实验，重力探测器B，得到的评价却截然相反。专家们对这个项目非常不满，说它收集的数据噪音太多，很难从中获取令科学界信服的结论，建议航空航天署否决项目团队追加投入的申请。当年NASA彻底中断了对项目的投资，重力探测器B项目正式宣告结束。
反对派终于胜利了。
(18)
唯一的问题在于，反对派低估了某人的决心和意志 --- 埃弗里特教授。
对他来说，重力探测器B项目的半途而废是概率为零的物理事件。他从1962年就加入了团队，这个项目贯穿了他的整个工作生涯，定义了他的人生目的，他拒绝 让这个项目不明不白地死亡。更何况，他如何对斯坦福的导师费班克交代:“导师啊，对不起，您发起的这个项目在我手里黄了”？他又如何对伦敦大学的导师布莱 克特交代:“导师啊，对不起，我步您后尘了，也没做成陀螺实验”？即便NASA中断项目，他也要想方设法继续。如果现在魔鬼跑来，要求他用灵魂换项目的后 续资金，恐怕他也会答应。
万幸的是，埃弗里特不必出卖自己的灵魂。就在NASA终止项目的当月，他找到了沙特王室的沙德博士(Turki al-Saud)。沙德是阿卜杜勒阿齐兹国王城科学和技术研究所的主席，正想着与美国扩大航天合作。双方一拍即合，埃弗里特答应日后斯坦福可以加强和沙特 的航天合作，沙德则给项目团队提供了270万美元后续资金。就像历史上已经发生过的无穷次那样，科学再次被独裁王朝、(至少在欧美基督教、犹太教眼里的、 以及不少中国人眼里的)野蛮异端宗教所拯救、所推动。
依靠沙特的资金，斯坦福团队埋头工作。他们渐渐找到了问题的原因 --- 在七大零指标中，陀螺电子圆整度没有达标。
重力探测器B的每个陀螺球，是一个石英球，外镀一层薄薄的、具有低温超导性的铌。在设计实验的时候曾经考虑过金属表面电场残留的问题，但当时的分析认为， 球体表面的金属层非常薄，任何残留电场，如果有也会是微不足道的。但是事实证明这并非如此。在正式科学实验阶段，高速旋转的陀螺球，表面的残留电场和包围 石英球的外壳发生作用，产生阻尼，导致陀螺球的旋转速度按对数递减；同时，由于残留电场的非对称性，阻尼还导致导致陀螺球的旋转轴产生偏差，发生漂移，画 出螺旋形的本体极迹。
2008年，斯坦福团队的一个研究生在数据分析上取得突破性进展。他成功地给每个陀螺的残留电场建立了模型，做了所谓的被困通量映射(Trapped Flux Mapping)，然后计算出模型导致的陀螺轴漂移(本体极迹)，再把此漂移从实验数据中扣除。数据误差神奇地从100个西格玛降到了2个西格玛！也就是 说，参照系拖拽进动的数据不再被误差淹没。
陀螺残留电场
重力探测器B的整个设计初衷，是用工程手段排除所有可能的偏差，最直接地读到广义相对论的效果。陀螺电子圆整度，和其他六个指标一样，理想情况应该是事先 被降到指标以下，而不是事后用建模计算扣除。所以，这个补救方法，原则上违反了设计初衷。但是考虑到太空实验必须一次成功的苛刻性，这个补救方法也许是最 佳方案了。事实上，能够用建模来补救，也是因为在所有其他指标上，重力探测器B已经做得尽善尽美，否则，多个因素共同作用下引起的误差，可能建模都无从下 手。
2011年6月，重力探测器B项目团队发表了最终实验结果:
测地线进动是−6601.8 ±18.3毫角秒/年，参考系拖拽进动是−37.2 ± 7.2毫角秒/年。
作为对比，希夫计算出的广义相对论的理论值是:
测地线进动是-6606毫角秒/年，参考系拖拽进动是-39毫秒角/年。
重力探测器B最终实验结果
坎农，三位裸泳教授的最后一位幸存者，亲眼看到了重力探测器B的最终结果。
(全文完)
以下内容由 iamanewbee 于 2013-8-27 02:32 补充
有泡菜问“最后这个实验值有效无效，是否证实广义相对论正确？”答案是这样的:重力探测器B实验，是一个定量实验。它不仅仅回答广义相对论正确与否，而且 回答广义相对论的精确度。原则上，只要观测到任何进动，就能够说广义相对论有正确的成分，因为牛顿力学说是没有任何进动。
定量分析就要严格一些。如果广义相对论说理论值是6606毫角秒/年，但实验做出来有9909毫角秒/年，那么广义相对论说就只说对了2/3，剩下的1 /3物理学家还得找其他理论解释。从最后实验结果看，测地线进动是-6601.8 ±8.3毫角秒/年是精确到了0.28%，参考系拖拽进动-37.2 ± 7.2毫角秒/年是精确到了26.5%。数值上都包围了理论值，只是精确度不同。前者超过了希夫的期望(他要1%的精确度)，后者不到希夫的期望。
所以至少这个实验认为广义相对论就够了，没有必要找其他理论解释，只是参考系拖拽进动需要更精确地测量。
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