加载中…
个人资料
童正荣
童正荣
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:7,968
  • 关注人气:2
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
相关博文
推荐博文
谁看过这篇博文
加载中…
正文 字体大小:

引力异常之谜

(2008-09-24 12:11:00)
标签:

引力异常之谜

校园

分类: 其他

引力异常之谜

 

爱因斯坦的广义相对论和牛顿引力论是目前物理学和天文学中经常用到的现代引力理论。它们的正确性早已被大量的实验所证实,似乎是不容置疑的。但是,随着物理学的发展和观测技术的进步,现代引力理论却受到越来越严峻的考验。目前,它正面临几项重大课题的挑战。例如,在量子理论与广义相对论的结合、在自然界四种基本作用的统一以及宇宙奇点的消除等方面,广义相对论都碰到了困难。
    在早期,尽管爱因斯坦对量子论作过一些贡献,也曾打算与他人合作为广义相对论与量子理论相结合作过一些努力,但终究没能成功。从根本上说,广义相对论仍然属于经典物理的范畴,因为它与经典物理其它分支一样是受着决定论的支配的.也就是说,它主张无论什么原因必然能导致相应的结果。而量子力学对决定论持否定观点,它主张一定的原因有可能导致几种不同的结果,至于究竟哪个结果.是无法确定的,唯一存在的只有统计性的规律。正因为构成量与力学基本内容的不肯定关系和统计规律没能在广义相对论中有所反映,所以我们说广义相对论没有摆脱经典理论的束缚。
    除了上述这些严重情况外,现代引力理论还处理不好一个积存长达30年之久的问题,这就是所谓的“引力异常”之谜。几十年来,引力异常效应在各种观测仪器上屡屡出现,但是它用牛顿和爱因斯坦的引力理论。却既不能加以预言,也不能加以解释。对它的存在,人们深感困惑。对物理学的进展来说,它是预示着某种震撼性的巨大变革呢,还是预示着什么危机呢?
    引力异常效应是在I953年首次由法国巴黎大学的阿勒斯发现的。这个异常效应激发了他的兴趣与好奇,使他持续地进行观测这四年之久。其实阿勒的设备很简单,这是一个能绕圆锥面转动的锥摆。锥摆十一个重7 .5千克伯铜盘,摆杆也是铜制的。他先用丝线把摆从中轴线上拉到一个静止的位置上.使它具有0.11弧度的初始摆幅,然后把丝线烧断,摆就开始运动起来。14分钟后,把摆动平面的方位角记录下来,并使摆停止,以后又重复这一过程,使摆的初始方位角是前一次停摆时的方位角。每次实验间隔 6分钟,一小时可做三次.每24小时就要进行72次。为了防止周围环境的干扰,整个装置安装在地下。
   阿勒的实验虽然简单,在观测结果中却发现了人们意料不到的情况。实验结果显示,锥摆的方位角明显地随时间作周期性变化。长期观测证实.这个周期大约是24小时左右。这很容易使人联想到,这会不会是由于地球自转所产生的傅科效应造成的呢?

法国科学家让·贝纳德·利昂傅科(1819~1869年) 1851年在巴黎万神庙表演一种很特殊的单摆,称为“傅科摆”。它主要由一根很长的钢绳和一个很重的铁球构成。悬挂点的摩擦力尽量小,以便摆们自由摆。开始摆动以后,摆能够经久不停。由于地球的自转,使它的摆动平面相对于地球表面及其经纬线偏转,在北半球作顺时计方向偏转,在南半球作逆时针方向偏转。这样就证明了地球向东自转。而偏转速度因纬度Ψ而变化。当地对的自转角速度为ω时,纬度Ψ处,传科摆的债转角速度为ωsinΨ。坐落在北京西直门外郝家湾的北京天文馆,就悬挂着一个这样的巨摆。
阿勒把傅利效应计算在内以后发现,实验结果是傅科效应影响值的两倍。这说明这种异常并不能用傅科效应做出圆满的解释。还有可能是哪些其它周期性因素产生的影响呢?
人们又把注意力转向了太阳和月亮。太阳和月亮对地球的潮汐力作用也是周期性变化。把其中以24天为周期的因素挑选出来。再加以计算,结果发现,实测的效应竟然是周期性潮汐力引起效应的18倍!仅此一点,就足以排除潮汐力是导致引力异常的原因。
然而,在地球附近,较强的引力源就是太阳和月亮,而且它们的影响又具有周期性。看来,还得从它们那里查找引力异常的原因。就在引力异常效应发现的第2年,即1954年6月30日,恰好发生一次日食。日食是太阳、月亮与地球恰好在一条线上。如果引力异常果真由太阳、月亮引起,那么在日食发生时刻,观测仪器上应该有所反应。果然,阿勒发现,就在日食刚发生时,锥摆的方位角出现异常:食甚前20分组方位角偏离出现最大值;之后,又迅速减小;日食结束后,锥摆又回复到平时的情况.人们依此断定,这种锥摆的“弹跳”现象,肯定与日食有关。为什么会产生这种“弹跳”现象呢?在日食发生时,因为太阳、月亮在地球的同一侧,引力的强度肯定不同于往常。根据爱因斯坦广义相对论的修正,对锥摆产生影响的作用量级顶多是10‘’弧度/秒;而实际观测到的异常效应却有10弧度/秒,这是经典理论计算值的10倍。它说明,用现代经典引力理论不可能解释阿勒得到的实验结果。
阿勒的发现引起了世人的注意。人们预料,引力异常效应有可能成为一把至关重要的钥匙,它打开了广义相对论理论进入量子世界的大门。1960年美国哈佛大学萨克斯尔等人开始用一种扭摆进行了一系列实验。他们把一个重23.4千克的大圆盘,用一根特制的恒弹性扭丝吊起,再辅以电磁伺服系统和一个光电控制的自动记录系统。在恒温下,扭丝的弹性恢复力保持恒定。当扭摆摆动时。它的周期可以由电子计算机精确地测定,并把结果自动地打印出来。
1970年3月7日,又一次日全食发生了。日食开始前,扭摆的摆动周期为29.570秒;日食开始后,周期明显地加大;一直到食甚后的20分钟,周期继续加大;以后逐渐减小。整个过程周期的变化线像是一个波形的阶梯。利用这条线可以计算出在日食的影响下.周期的相对增量为2.7×10‘。这个数值意味着,在日食发生期间,扭摆摆盘的重量竟然一下于增加了1.2千克!

为什么受到日食的影响,扭摆的重量竟然增加这么多呢?从表而现象分析,似乎是重力加速度g值骤然地加大了造成的.当然,利用经典的引力理论,可以把日食时重力加速度g值的变化计算出来。g值的大小受到太阳和月亮位置的影响,通常称为“潮汐力效应”。然而,由经典理论计算出来的潮汐力效应,充其量也只有0.16毫伽( l毫伽一0.001厘米/秒‘)。按这个最大值算出的扭摆摆盘重量,最多只可能增加到原来重量的百万分之一。也就是说,利用经典引力理论计算出来的值,只有实测值的十万分之一。这个巨大的差异会使任何人都感到惊奇、更使人感到奇怪的是在日食发生时.使用弹簧重力计、地震仪或干涉仪等静态测量仪器时,却都没有看到这种引力异常的现象,似乎重力加速度g值只能在动态测量中被发现,可这又是为什么呢?
无论是萨克斯尔扭摆的周期变化,还是阿勒锥摆振动平面方位角的变化,它们都有一个共同的特点,这就是变化最大都发生在日食的初亏和食甚之间。这表明两种不同的异常现象,很有可能是由同一个未知的引力异常效应引起的。
为了进一步搜寻其中的原因,萨克斯尔又把扭摆放在一个法拉第电笼中,然后把笼与摆一起加上几千伏的正、负高电压。他发现,电荷对摆的转动周期也有影响。更为奇怪的是,正负电荷对摆周期的影响还不相同。与不带电时相比,带正电时周期最短,带负电时次之。这是现有的经典理论所不能解释的。它是否预示着在电荷、惯性质量和引力质量之间存在有什么未知的关联呢?更仔细地研究之后,萨克斯尔和他的同事们还发现,扭摆的周期除受日食、月食和电荷的影响外,还随日夜、季节而变化。实验图线呈现一种波状的结构,它是一种偶然现象呢,还是代表着引力的某种精细结构呢?如果是后者。它又是什么因素引起的呢?
近年采,我国科学工作者对引力异常也进行了系统地观测。1976年4月29日,在我国新疆地区发生了一次日环食。中国科学院物理研究所王榴泉等人首先使用了一种水平摆式倾斜仪和一台光点自动跟踪装置.他们发现,在食甚前后的各45分钟左右,仪器记录了两次微小倾斜;在日食复圆时,又有一次微小倾斜发生。显然,这三次倾斜都与日食有关。难道日食能引起地面倾斜吗?否则,就只能认为是引力异常能直接推动倾斜仪的摆锤。如果这样,它很可能与阿勒测到的锥摆振动平面方位角的变化有关。
此外,在1979年9月6日,北京发生月食期间,中国科学院物理所的吴永生等人也利用扭摆和其它辅助仪器进行了一次观测。所得到的结果与萨克斯尔的很相近.虽然他们的扭摆与萨克斯尔的相似,但在提高精度和分辨率上,他们做了多种改进。例如用细束激光仪代替了普通光源,采用了多个光敏二极管作为传感器等,使所得到的精度提高了一个数量级。

虽然引力异常效应已受到世人的公认,但是导致这种效应的原因究竟是什么?限于人们目前的认识水平,不可能一下子得到答案。不过由于这种效应具有独特的性质,经典引力理论计算结果与实测相差很远,显然不可能用原有的引力理论找到答案。
看来,只可能先对这个谜作些猜测了。早在1920年,梅杰瑞纳曾提出过一种“引力吸收说”。根据这个假说可以计算出日食时重力加速度的增量值;可是计算值仍然比实测值相差很多。值得注意的是阿勒提出的假说。他曾小心地逐个排除各种可能影响锥摆运动的环境与外界囚素。例如他把观测仪安装在地下室、山洞里或多层隔离建筑中;采用恒温、防震和静电屏蔽等。但是引力异常效应仍然屡屡出现。阿勒推断它可能是一种新场作用的结果。至于新场是由什么产生的?性质又如何?阿勒不能立即回答,只能推测它或许来源于太阳或月亮或它们共同的作用,也有可能是太阳自旋效应引起的。
阿勒的想法是近几十年来,有关引力异常的唯一的假说。其实,它也只不过是用一种未知解释另一种未知而已。这种场是否存在,用这种场除了要解释阿勒的实验现象,还要解释萨克斯尔的扭摆异常以及带电的情况可就太不容易了。此外,关于电荷对引力异常产生的影响是否就预示着电荷、惯性质量以及引力作用之间有相互作用呢7如果是这样它对当今人们正在探索的四种相互作用的统一问题会有重要的影响。如果电荷与扭摆的周期有关,除了考虑太阳、月亮与地球的引力作用外,是否还应该计入这三个天体带电的情况呢?
任何一个新的假说除了应能解释有关异常效应的所有现象外,它还应当有一定的理论基础,即它不应该与所有已被大量实验证实的现有物理规律相违,它还应该做出某种预言,以重新设计实验去进一步验证。以期确立它的合理性。要做到这些是不容易的。尽管合理的解释还没能做出,有一点的确是肯定的:这就是引力异常效应的发现表明,现代的经典引力理论不是十全十美的对它需要不断的完善和发展。
从开普勒到牛顿再到爱因斯坦,物理学发展经历了三百多年的时间,人们通过不断的探索,不断的推翻前人的理论,不断的认识新的世界,二十一世纪已经到来了我么需要更多的知识来改造世界并且不断的发现新的世界。

原作:魏凤

0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报/Report
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 电话:4000520066 提示音后按1键(按当地市话标准计费) 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有