伽利略衛星意外軌道提供愛因斯坦引力時間膨脹效應最精確驗證

歐洲伽利略（Galileo）衛星導航系統，因一次非預期的軌道配置，成功對愛因斯坦的廣義相對論進行了迄今最精確的檢驗。此項實驗的核心在於測量引力場變化如何影響時間流逝，即引力紅移或引力時間膨脹現象。該項測量結果於2018年後期發表，其精確度比1976年Gravity Probe-A實驗所設立的標準提高了約五倍，彰顯了現代太空技術在基礎科學研究上的價值。

這項關鍵的等效原理測試，是透過分析搭載於特定伽利略衛星上的高穩定性原子鐘數據所達成。由於先前發射任務出現異常，導致衛星5號和FM06被置於非預期的離心軌道上，這種軌道上每日約兩次高達8500公里的升降，為測量重力對時間延遲的影響提供了獨特的實驗條件。為實現如此高的測量精度，這些衛星配備了關鍵的被動氫原子邁射（Passive Hydrogen Maser, PHM）原子鐘，其穩定性對於捕捉微小時間差異至關重要。

伽利略系統的發展體現了太空基礎設施的雙重效益，即在滿足全球定位與計時服務的實際需求之外，也能為基礎物理學研究提供獨特平台。該系統的持續升級正邁向伽利略第二代（Galileo Second Generation, G2G）衛星的部署，預計首批G2G衛星將於2027年發射，並將引入電力推進和衛星間鏈路等先進技術。截至2026年2月1日，伽利略星座已發射34顆衛星，其中有26顆正在運行，這些精準的計時服務對鐵路、航空和農業等關鍵領域的運作至關重要。

儘管其他任務，例如配備高精度徑速搜尋器（HARPS）對太陽光譜進行分析的研究，也曾驗證引力紅移效應，但伽利略的實驗提供了對原子鐘頻率的直接測量，這與MICROSCOPE衛星的測試有所區別。MICROSCOPE衛星透過比較不同測試質量的墜落速率，將等效原理的精確度驗證至百分之二兆分之一的水平，而伽利略的貢獻在於對時間膨脹的直接量化。

這次因發射意外而促成的科學發現，將導航任務受阻的衛星轉化為基礎物理學的尖端儀器。此次五倍的精度提升，不僅標誌著現代衛星技術的進展，也突顯了歐洲在維持其獨立全球導航衛星系統（GNSS）自主性方面的持續投入。伽利略系統的演進確保了其科學探測能力的延續性，其最初目標是提供比GPS更精確的定位，並確保服務的獨立性。隨著G2G的發展，預期將能提供更精確的十公分級定位精度，持續鞏固歐洲在全球導航領域的地位。

這次對引力時間延遲的精確測量，再次堅實地支持了愛因斯坦於1916年提出的廣義相對論，該理論將引力描述為時空的幾何屬性，並預言了引力紅移等現象。