从万有引力、相对论讨论引力异常之迷
物理与微电子学院 2002级基地班 董赞 021003149
人类探索自然的道路是迂回曲折而又漫长的。这篇文章便是介绍探索自然的道路上的一段小风景—现代引力理论发展情况。
1687年牛顿提出了万有力引力理论,他能解释当时所发现的一切天体的运行及我们生活中的引力现象。所以牛顿的引力理论统治世界将近300年时间。但是,随着人们的视野向宇宙空间的延伸,牛顿引力也有了很大的的局限性。
1916年,在前人研究基础上,爱因斯坦提出了广义相对论。大量的实验和公式证明,广义相对论是牛顿引力理论的一次提高和升华。研究表明,爱因斯坦广义相对论描写的引力是广泛、深刻而且具有一般性,牛顿引力理论是爱因斯坦理论的极端特殊形式。
虽然广义相对论和牛顿的引力理论是目前物理学和天文学中经常用到的现代引力理论。他们的正确性似乎是毋庸置疑的,但是,他们也面临着引力异常的挑战
这说明自然科学的研究是永无止境的。
The rode that man detects the natural is devious and long. This article introduce a little vie in the road _modern gravitation theory.
In 1687
In 1916, Einstein brought forth general theory of relativity. many experiments and plenty of foramula can prove that Einstein’s theory improved
Though general theory of relativity and
关键词:
广义相对论 张量 曲率张量 能动张量 惯性质量 引力质量
引言
自然界中存在的基本相互作用有四种,它们是引力相互作用,电磁相互作用弱相互作用,强相互作用。其中引力相互作用是自然界中一种非常重要的相互作用形式,它存在与世界万物之间,只要质量不为零,物体之间都存在这种相互作用。在揭示万有引力相互作用规律的研究历史中有里程碑意义的当属开普勒三定律的提出,牛顿万有引力定律的发现和爱因斯坦广义相对论。
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
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
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.
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
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。
此外,在
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。
参考文献:
1.刘金寿 主编 《自然科学概论》(第一册)大连理工大学出版社
2.相对论入门 生活\读书\新知三联书店
3.郭亦玲 沈慧君 编 《物理学史》 清华大学出版社 1993年 7月出版
4.{法}约翰-皮尔.卢米涅 著 《黑洞》湖南科学技术出版社 1998年6月出版
5.{美}威廉.J.考夫曼著 《相对论和黑洞的奇迹》 知识出版社 1987年出版