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如果引力不是超距作用,那么至少牛顿对万有引力的方向描述就错了:当两个物体相距遥远时,引力与反引力 就不在一条直线上。同时证明: 牛顿第三定律不适用于万有引力。
作者: 我们计划要探测的透镜效应,将使类星体J0842的视位置发生微小的变化。我们所能用来测量这个变化的最好方法,是通过一批相隔得越远越好的射电望远镜组成的阵列,来观察这个类星体。从遥远天体的射电信号到达不同望远镜的时间,就能确定它在天空中的位置。简单地说,如果一台望远镜接到信号比另一台要早,那么类星体离信号较早到达的望远镜必然要近一些。 为了尽可能地使观测精确,我们使用了能利用的最大望远镜阵列。开始是美国国立 射电天文台的甚长基线阵列,它由一系列10台望远镜组成,每台直径25米,东起美国维 尔京群岛的圣克罗伊岛,西至夏威夷的冒纳凯阿。然后我们又利用了德国埃弗斯堡的100米射电望远镜,得到一个延展1万公里的阵列。 这样应该可以把类星体位置测量到10微弧秒、即满月直径的50亿分之一的精度。这 一精度是以前最高精度的3倍,刚好是分辨木星引力是瞬时以无限速度还是以有限速度花费特定时间到达地球所需的精度极限。 尽管我们知道理论上可以进行这项实验,但还有许多做错的可能。大陆运动或地球 自转速度的改变导致望远镜位置发生微小的变化,就会影响到测量结果。更严重的是, 任意一台台望远镜上空的气候,都会把整个实验毁掉:风吹动云经过望远镜,会使射电 源视位置漂移,木星引力导致的偏移效应要比这小得多,因此会被漂移掩盖掉。 对付这些不确写性的关键,是在J0842+1835附近寻找信号在9月8日不受木星影响、 但所在位置又足够近到(与J0842+1835)处于类似气候条件下的其它射电源。通过对几 个射电源进行快速切换观测,测定视位置变动的精度可比观察单一天体要精确得多。最 终我们选中了两个类星体作为当天的参考射电源。 我们可以使用望远镜阵列观测5天,每天10小时。最重要的一天当然是9月8日,当天格林尼治时间16点30分,木星以最近距离通过J0842。但仅仅如此还不够。类星体是由星系中央的黑洞爆发能量产生的,这种现象可能随时间发生变化。所以我们也在木星引力场对J0842的影响可忽略的时间做了观察,并检验确认我们的射电源并未以可与测量结果混淆的方式发生漂移。 我们最担心的事应该是木星本身了,更准确地说,是它那庞大而变化不定的磁气圈 。这是一片由高速运动的电子构成的等体子体,源于太阳风,受木星磁场束缚。我们担 心,9月8日类星体射电波经过木星表面附近时,可能会受到磁气圈的作用而偏折。如果 磁气圈非常活跃,这种偏折效应将与我们所寻找的引力场偏转同样大。 可以用在两个频率同时观测的方式解决这一问题,但这会使实验更加复杂,降低总 体精确度,因此我们决定赌一把,指望木星上有个好天气。我们赌赢了,直到那重要的一天到来之前,一切都很顺利。可怕的是,9月8日那天,圣克罗伊望远镜出了故障,发生了严重的磁带记录问题。幸好后来发现,别的望远镜收集到的数据可以抵消这一损失。还有15%的数据由于天气原因必须放弃。 让人高兴的是,仍剩下了足够多的数据供分析。将J0842在9月8日这天的位置与不受 木星影响的日子里的平均位置相比较,代入科佩金关于运动的木星的引力场方程,得出 了我们所寻求的答案。我们成了世界上头两个知道引力速度--大自然的基本参数之一 --的人。 结果就是:引力的确以光速运动。我们所得的实际数据是1.06倍光速,但有±0.21 的误差。我们计划这个星期在西雅图举行的美国天文学会年会上报告这个结果。 我们的结果排除了引力瞬时传输(就像牛顿所想象的那样)的可能。如果引力作用 是瞬时的,9月8日晚上我们观测到的类星体位置偏移应该与实际结果有所不同。这一结 果证明,爱因斯坦在构建其广义相对论时,出于直觉假设引力速度等于光速,是正确的 。 我们的结果还对膜世界理论的参数施加了严格限制,特别是限制了额外维度的数量 及尺寸。额外维度越紧凑,引力在它们中间走捷径的可能性就越小,引力速度也就越接 近光速。 我们希望能看到新的理论研究,能把统一基本作用力与引力统一起来,并考虑到这 个问题。我们还希望今后10年内,俄罗斯、日本和美国可以通过在环地轨道上设置大型 射电望远镜的方法,成功地将最大射电望远镜阵列扩展到超过地球直径,从而证实我们 的研究结果并大大提高其精确度。
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