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伍岳明 曹明富合著 谨以此书献给2005——世界物理年! 美国当地时间2004年4月 20日下午,一颗名为GP-B(B型引力探测器 )的卫星从美国加州范登堡空军基地成功升空。GP-B从酝酿、研究、制造到发射升空,历时长达 45年,耗资7.5亿美元,被美国宇航局前任首席科学家法兰克 ·麦克唐纳博士称作是“新千年美国宇航局将完成的最富挑战性的实验 ”,因为它的使命是测试爱因斯坦在广义相对论中两个重要的预测是否正确,这是关系到整个宇宙学理论基础甚至全人类时空观念是否得经历一次根本性变革的非凡实验。是将以事实给爱因斯坦的理论再添一块基石,还是将动摇它、并从根本上改变我们对宇宙及其演化史的认识?要回答这个问题,我们最好期待,那个异常精密的大家伙,能够按计划运行 16个月不出半点差错。
引力探测B卫星重达3吨,外观看上去就像一个水泥搅拌机。
距地球表面约640公里的极地轨道上运转。运用太阳能电池板发电,所有的设备都得到电力供应。卫星与地面站和中继卫星之间的通信状况良好。
这个
“
搅拌机
”
其实是一个巨大的隔热容器,内部装有液氦
——
接近绝对零度的液体。它的内部装有四个陀螺仪(回转仪)。每个陀螺仪的核心是一个高尔夫球大小的石英球。这些石英球堪称地球上最接近完美球形的人造物体(若将它放大到地球大小,其表面最大高度差不超过四米)。在石英球的表面镀了一层非常薄的金属铌。当石英球被液氦冷却的时候,它的表面就变成了超导状态。以隔断地球磁场的干扰。这样的一个石英球将会以大约每分钟
10000转的速度旋转。作为世界上最精密的陀螺仪,石英球的自转轴将始终朝着一个方向
———
GP-B
搭载的望远镜负责用遥远的恒星进行定位。但是广义相对论效应会稍稍改变陀螺仪完美的运动。主要有两种效应会影响陀螺仪的运动,一种是
“
测地线效应
”
,另一种是
“
惯性系拖曳
”
效应。 我国学者对 GP-B型引力探测器的升空也非常关心,因为 引力探测器B的发射升空非我国当前科技水平所胜任。但可以根据我们中国人自己的引力理论 预言 GP-B 型引力探测器 的探测结果,来验证自己的引力理论。这确实是一次历史性机遇,即便判断错了、那有何妨?探索科学理论需要“百花齐放、百家争鸣”,不论是专家教授还是民间科学爱好者都应有“发言权”,受点讽刺,算不了什么,科学探索那能不化代价呢? 第一位对 GP-B型引力探测器探测结果发表意见的是 陈绍光教授,据2004年 6月29日,《科技日报》刊出文章《我国科学家陈绍光的第三预言:引力探测器 B是负结果》,文中我国著名实验与理论物理学家陈绍光提出预言:“绕地球运行的引力探测器 B中的四个陀螺会整体进动,但四个陀螺自转轴相互平行的状态不会改变,…….探测不到四个陀螺的自转轴的相对方位的变化。 ”爱因斯坦的‘时空会被地球转动扭曲’的预言将被引力探测器 B的试验否定。该预言一经提出,立刻引起了科学界的高度关注。
当然,预言可能的结果只有两个:“正”和
“负”,不能靠打赌臆想,而要有充分的理论依据。据介绍,陈绍光是根据其
“量子引力理论”(2004年他的量子引力理论专著《引力起源与引力红移
——谁引爆了宇宙》由四川科学技术出版社出版,3月
12日在深圳大学作学术报告时首次公布)得出“负结果
”这一结论的。因为根据该理论可以推导出广义相对论的施瓦兹希尔德度规和爱因斯坦方程,这样广义相对论就成了量子引力理论的唯象的宏观表述;量子引力理论描述的是引力的物理本质,即引力场是正反向相抵消后的净中微子流,广义相对论的时空弯曲只是一种等效的数学表述,而不是时空真的弯曲了,从而时空不会被扭曲;这样探测器
B将是负结果。陈绍光同时特别强调指出:“负结果
”若被证实,并不意味爱因斯坦的广义相对论将被否定,而是应重新解读罢了。因此,与时下国内外众多反对爱因斯坦否定广义相对论的思潮针锋相对的是:量子引力理论恰是对广义相对论的强有力的支持。另外,该理论不但解释了大量的实验和观测结果,如引力的量子效应、引力具有屏蔽效应、微波背景辐射的极化、太阳中微子和核反应堆中微子都发生了大角度的振荡(中微子消失之谜)、韦伯等观察到的类星体吸收谱线之谜等现象,而且使得许多理论物理学最根本的问题:如引力与惯性的起源、地磁与地电的起源和宇宙的起源等问题都得到了完美的解决;更为重大的意义是:引力起源的解决,使引力、电磁力、强作用力、弱作用力四者在标准的
U(1)×SU(
2)×SU(3)模型下就已经实现了大统一,四种作用力的统一被认为是科学的皇冠。若陈的预言属实,其
“量子引力理论”就将得到完美的验证。这样不但量子引力理论将得到确立,而且爱因斯坦的广义相对论将被世人重新解读并得以巩固和发展。同时,所有的大学物理教科书都将被改写,而苦心经营了半个多世纪的
“大爆炸宇宙论”将土崩瓦解。这势必对当今理论物理学界乃至整个科学界产生极其深远的影响。因此,这一理论确立,其意义将绝不亚于牛顿发现万有引力、爱因斯坦提出广义相对论,从而必将成为我国科技史上最伟大的发现。总之,用任何语言和文字来赞扬将都不会显得过分,实际上,通俗地说,上述的任何一个问题的解决,都有可能获得诺贝尔奖,更何况能一次解决如此众多的问题。
第二位对 GP-B型引力探测器探测结果发表意见的是 章钧豪教授。 章教授于1936年出生,广东汕头人, 1954年从金山中学考入中山大学物理系,毕业后长期从事理论物理研究和教学,退休前任汕头大学物理系主任、教授。据报道:章钧豪在向记者解释他的理论时谈到了两位物理学的巨擘 ———牛顿和爱因斯坦。他告诉记者,牛顿的引力理论主要包括两条公式,即“能量变化公式 ”和“角动量不变”。爱因斯坦在 “角动量不变”这点上与牛顿相同,但在“能量变化公式 ”上,爱因斯坦的值是牛顿值的两倍。为了检验这些公式,在历史上人们做了很多观察和实验,已能证明牛顿的两个公式至少有一个是错误的。到了大约 1980年前后,人们又做了一个叫“光红移”的实验,在实验中,人们发现,实验测出的能量变化值是牛顿值,而不是爱因斯坦值。这些实验综合起来告诉人们,牛顿的 “能量变化公式”没有错,“角动量不变 ”错了。这进而可以推导出的结论是,爱因斯坦广义相对论导出的基本两个公式全都错了,由这两个公式去推导物体的运动轨迹就完全失去意义。 章钧豪说:“我的理论的第一个结论,就是爱因斯坦的广义相对论与实验不符,这个极简单的推理是无可争辩的。已做过的实验是探测静止物体产生的引力场,全部的实验结果都表明,时空不是弯曲的,而是平直的,爱因斯坦是错的,我是对的。 ” 章教授将自己的引力理论与爱因斯坦的引力理论的比较,称之为:理论之间的大搏斗。并认为最终将依靠实验的结果来判决。据了解, GP-B的实验结果主要将由两个值来体现:一个称为“短程线效应陀螺进动率 ”(章称之为“轨道效应陀螺进动率”),另一个是 “坐标拖曳效应陀螺进动率”(章称之为“地球自转效应进动率 ”)。在卫星轨道是400英里的条件下,美国斯坦福大学的专家、教授根据爱因斯坦的理论公式算出的两个值是 6.6弧度秒/年和0.042弧度秒/年,章钧豪根据自己的理论得出的两个值是 4.4弧度秒/年和1.5×0.042弧度秒/年,分别是爱因斯坦的 2/3和1.5倍。在得知实验的实际轨道为 635公里后,章钧豪又将他的第一个值相应调整为4.55弧度秒/年。 GP-B 实验的结果要等18至24个月后才见分晓。究竟是大名鼎鼎的爱因斯坦正确,还是声名不显的章钧豪正确?美国人花了 7.5亿美元、费时45年制造出来的这颗GP-B卫星会不会用来证明一个中国人理论是正确的?这一切,我们亦将拭目以待。 “共旋引力波”理论根据对引力本质的认识,也 对 GP-B 型引力探测器探测结果提出 预言为:零结果。具体理由有以下三条 :
一、探测不到四个陀螺自转轴的相对方位的变化。
“共旋引力波”理论认为物体之间相互作用力的传递是通过引力波实现相互作用的。各星球发出的引力波是不同的,不同自转角速度的星球发出不同频率的引力波。人类在太阳系测得的引力常数G是一个常数。而实际不同星球发出的不同的引力波,不同星球的
若星球是地球.则(7.1)式为地球的引力时空函数值
由于地球引力波的波长为:
二、“共旋引力波”理论认为
:绕地球运行的引力探测器B中四个陀螺的进动将是零结果。物理学告诉我们
:凡是陀螺的进动都是由其他力及其力矩作用下产生的。
“共旋引力波”理论认为:促使
绕地球运行的引力探测器B中四个陀螺进动的力及其力矩有两个方面:一是类似
章钧豪教授称之为“轨道效应陀螺进动率”的;由大偏心率轨道引起,“共旋”引力理论称之“后牛顿力”效应的进动,如水星近日点进动等。“共旋引力波”理论的“后牛顿力”效应,其计算公式为:
因为引力探测器
B运行的是极地轨道,
共旋梯力矩之和的平均值为: 三、“共旋引力波”理论认为 :绕地球运行的引力探测器B中四个陀螺将会面目全非。 “ 引力探测B ” 的4个陀螺仪是世界上最精密的陀螺仪。它们的主要部件由石英制成,石英是一种非常稳定的矿物,基本不受温度变化的影响。每个陀螺仪的转子是一个乒乓球大小的石英球,表面涂着一层极薄的、 背景是爱因斯坦头像的 金属铌面, 它们能以每分钟1万转的速度旋转。 “共旋”理论认为 :是因为 “共旋起电”,会使 四个陀螺面目全非。
“共旋引力波”理论认为:自旋的星球(如太阳或地球)是一种非线性有阻尼的自激振动系统,系统中表征质点的运动方程为强迫范
•德•波耳方程。它代表着一种典型的非线性正弦形式的振荡,经过计算:这种非线性有阻尼自激振动系统中表征质点的运动方程,在
以上三条是“共旋”理论对 绕地球运行的引力探测器B实验结果的预测。现在 实验结果还没有出来,将来结果出来可以 帮助人们发现究竟那种引力理论更符合实际,无疑该实验可以帮助我们更好地理解引力的本质,判断宇宙的时空结构是否发生了波动?时空是否弯曲。物体之间相互作用力的传递靠什么?等 !
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