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GP-B 任务失败的原因经陈绍光分析是超导磁屏蔽的漏洞 本文首先简介GP-B 任务失败的事实：承诺失信天下，最终报告不可信，精度打回了原点。着重指出导致失败的真正元凶是超导磁屏蔽的漏洞，外磁场也确实干扰到了记录的转子方向数据。最后提出了改进陀螺超导磁屏蔽的建议。 （一）GP-B 任务失败有着下列三层意义: 1.无可挽回的失信天下 37届空间科学大会(2008年7月加拿大蒙特利尔)中的H04 GP-B专题小组,在征集论文几个月之后于2008年5月被大会学术委员会撤消了,陈绍光投到 H04的论文《根据量子场论不存在Lense-Thirring 效应》被转到H05专题小组作口头报告並以海报形式公布。作为GP-B专题讨论主角的斯坦福大学的论文无论是主动撤回投稿还是被大会审稿人否决，至少对参与大会的一千多个各国专家来说产生了GP-B任务失败的效果：GP-B飞船升空四年多应该出结果时却撤消了专门讨论GP-B任务的H04小组，而且2007年4月斯坦福大学GP-B小组的首席科学家F. Everitt 在美国物理学会的会议上曾声称最终结果在2007年底出来。 2.最终报告不可信： 延后两年多的最终报告是用了“Patch-effect anomalies 班点效应反常”、“a changing polhode path 变化的本体极迹路径”、“two larger than expected Newtonian torques两个超出预期的牛顿力矩”以及“roll-polhode resonance torques 滚动-本体极迹共振力矩”等众多假定作为基础。最终报告中声称：“while mechanically both rotor and housing are exceedingly spherical, electrically they are not.陀螺的转子和支承在机械上是严格的球形，但电气上不是。”这些假设以及假设中的物理模型是否合理需要专业地评论，但这些假设直接否定了GP-B实验的理论根据------超导伦敦磁矩的方向与其自旋轴方向完全一致（基于此一致性才能用SQUID磁力计测磁矩方向代替测转子自旋轴方向，这是GP-B的特色和超高测量精度的关键），理论根据的不成立使GP-B实验的优势尽失。更为重要的是：GP-B实验采集到的数据只有磁矩方向的数据，没有陀螺自旋轴方向的数据，两者方向一致或不一致是无法验证的。有无静电‘班点’，有无‘共振力矩’是‘看’不见的，只能用磁矩方向的数据来拟合这些假设，而且这些假设中的十多个参数也是变化的，並且各参数必需用采集到的磁矩方向数据通过拟合方式来调整确定。当一组数据用来拟合十多个未知的可变参数时，可有非常多的组合方式，只要有耐心总可以调整出许多种组合参数群全都与数据吻合。只要公布了全部原始数据，读者中就有不少人都能给出一套模型的组合参数完全与原始数据相吻合。可NASA最终报告只用其中一种组合参数的拟合成功，又无任何旁证(例如专门附加实验定出模型参数,按假定的模型改变实验条件用对比法定出模型参数等等,可是由于反常的‘班点'至少在2007年4月之后才发现,他们再改变2005年九月完成了的实验),就用来作为众多假设成立的证据。他们用记录的数据决定模型参数，再说此假设模型符合实验结果而成立，这是典型的自我循环论证。因此很难令人相信他们假定的‘班点’和‘共振力矩’等等东西是真实的存在。 3.精度打回了原点： 就是别人相信了这众多假设，GP-B最终结果的精度也远低于预期。GP-B小组 F. Everitt 2007年4月还在美国物理学会的会议上声称：测地线效应的精度为0.01%,坐标拖曳效应的精度为1%。可GP-B最终结果公布的精度： 测地线效应的精度为0.5%,坐标拖曳效应的精度为14%。由此可见GP-B最终结果的精度远低于实验设计时的预期，而且没有超过以前实验的精度。以前的其他实验，测地线效应的精度约为1%，用早期的 LAGEOS 激光地球动力学卫星间接测量 gravitomagnetism引力磁性效应的精度约为10-15% 。(量子场论的引力磁性是真正的磁性，是本质为虚中微子流类Casimir压力的引力导致的正负电荷分离，从而动量矩必然伴生磁矩。广义相对论的引力磁性只是类比于磁性的说法而非真实的磁性，它等同于由非剛性时空引起的Lense-Thirring效应或坐标拖曳效应) （二）超导磁屏蔽的漏洞是导致GP-B任务失败的真正元凶 对于GP-B 的5×10^-14高斯（比地磁场小13个数量级）史无前例的超高精度的磁测量，完善的超导屏蔽是必需的。GP-B有四重电磁屏蔽措施：高导磁率的μ合金屏蔽，超导铅袋屏蔽，包围每个陀螺的横向圆筒状局部超导屏蔽和利用对称性抵消干扰的屏蔽。μ合金屏蔽和对称性屏蔽只能起一点辅助作用，非密封的横向圆筒状的局部超导屏蔽起的作用也有限，这是因为待测的超低频磁场的磁力线是无孔不入的。只有铌金属超导屏蔽盒（由较厚的铌盒完全密封）是完善的屏蔽,但它仅仅包围了SQUlD磁力计的核心部件。SQUlD磁力计的捡拾线圈不在铌金属盒内，从陀螺结构看它也不可能被封进铌盒内。GP-B四个陀螺的转子是3.8厘米直径的石英球，石英球覆盖1.27微米厚铌层，低温下成为磁轴与自转轴一致的超导转子。悬浮转子的支承是由两块石英构成，每块上挖有一个凹下的半球形，每个凹下的半球内壁上覆盖铌膜制作成三个电极(ELECTRODE)，用来静电悬浮转子。一块石英上放入转子再盖上另一块石英就成一个陀螺(GYROSCOPE)。组合前在一块石英的平面上围着凹下的半球形沉积一个4圈的铌线圈，成为包围着陀螺转子的捡拾线圈(PICK-UP LOOP)。见图： 1.转子与支承: http://hotimg23.fotki.com/a/58_60/121_253/mester1-vi.jpg > 沿飞船轴(Z)安装有一个纯石英的天文望远镜和一个石英支架，四个陀螺沿X和Y方向嵌入支架内，四个捡拾线圈的轴向两个平行于X方向两个平行于Y方向。由此结构可见，检拾线圈没有也无法放进SQUlD磁力计的完善的铌屏蔽盒。见图： 2. SQUID: http://hotimg23.fotki.com/a/58_60/121_253/squidandschematicLARGE-vi.jpg> 3.四陀螺仪: http://hotimg23.fotki.com/a/58_60/121_253/four_squids-vi.jpg 若是在每个陀螺的两块石英支承的外表面再覆盖铌层，两块组合之后的缝隙以及启动转子的氦气进出管和阀门上塗上铌膜，捡拾线圈和悬浮支承的电极引线的对外连接采用成熟的 SQUlD 磁力计的磁屏蔽接口，就能构成完善的全密封超导屏蔽。可惜的是GP-B设计者没有这样做，他们过分相信他们发明的铅袋屏蔽。 铅袋是由63微米厚的铝箔（超导转換温度7.2K）剪切、卷曲、焊接成圆筒状，下端收口折缩成圆锥样子状似一个捕魚网。见图： 4.铅袋:
http://hotimg23.fotki.com/a/58_60/121_253/CryogenicPerformanceM-vi.jpg> 在杜瓦中高导磁率的μ合金屏蔽内面，四个尺寸步步减小的铅袋用支架一层套一层地浸入杜瓦的液氦内构成超导铅袋屏蔽。见图： 5.铅袋屏蔽:
http://hotimg23.fotki.com/a/58_60/121_253/CryogenicPerformance-vi.jpg> 内有四个陀螺的石英支架连接石英望远镜构成科学仪器总汇，最后费一天时间慢慢地小心扦入己浸在杜瓦中的四个铅袋的中心。见图： 6.杜瓦: http://hotimg23.fotki.com/a/58_60/121_253/_Final_NASA_Report020509web-vi.jpg> 铅袋上端没有封口，也不能封口，因为封口后不能扦入仪器总汇。即使以后再封口也不可能，因为陀螺转子是在升空后才启动其高速旋转，自旋启动用的氦气箱（Spinup Helium Tank）是在铅袋外面的，总要通过管道连接到转子上的启动沟(SPIN-UP CHANNEL)上, 而且启动自旋的氦气是排放到空间，也要通过管道与阀门（15厘米直径），陀螺启动的进气管与排气管都必需穿过铅袋，使得用铅袋决不可能构成密封屏蔽，这就是GP-B超导屏蔽的漏洞。 ，强外磁场干扰中断数据最终报告P.55说: Unfortunately, the year-long duration of the experiment was interrupted by several spacecraft anomalies (e.g. the solar flare on January 20, 1995此处原文有误，1995应改为2005), 年长度的持续时间被飞船反常所中断，数据被分成十段，段之间的间隔为几日，P.56表1表明：各段的持续时间为几日至几十日，中断的时间最多3日。最终报告中反常的原因是以2005年1月20日太阳耀班为例，太阳耀斑(Solar flare)属于太阳风暴的一种，是指太阳黑子的不寻常活动，将对地球生成巨大的磁场与辐射，还有明显增强的高能质子流等等。 Segment Science Data Duration (days) 1 September 13,2004 – September 23 11 2 September 25 – November 10 47 3 November 12 – December 04 23 4 December 05 – December 09 5 5 December 10 – January 20, 2005 42 6 January 21 – March 04 43 7 March 07 – March 15 9 8 March 16 – March 18 3 9 March 19 – May 27 70 10 May 31 – July 23, 2005 54 Table 1. Segmented Science Data 2，中等外磁场干扰的数据被删除 NASA最终报告对外公布数据P.12图7（北南方向测地线效应）中2005年2月7日至3月29日之间删除了一段长约15天的数据，P.59图4和图5中删去的天数更多。可这段时间中断的数据总计只有5天。12月19日至2月7日只在1月20日因太阳耀班数据被干扰中断了1天。可报告中P.59图4和图5中12月19日至2月7日的数据删除一段约5天上的数据。这些额外多删去的数据日期正好在紧随数据中断日的前后，显然，此时的外磁场虽然减弱了但仍有中等强度，己影响到数据无法与假定的模型拟合，才不得不违反数据完整性原则而忍痛删除。见下列图： 7.P.59图4:
http://img.ph.126.net/EL5_K4gsjbkSedjP8F7Ulg==/3324500949930389166.bmp> 8.P.59图5: http://hotimg23.fotki.com/a/58_60/121_253/ASA_Report020509web_jpgF_5A-vi.jpg 9.P.59图5:
http://hotimg23.fotki.com/a/58_60/121_253/1-vi.jpg 3，弱外磁场干扰不影响可被拟合的数据值吗? 既然数量少的较强的外磁场己经突破了上述GP-B的四重磁屏蔽，进入到了检拾线圈，导致了数据被干扰中断或超出了拟合模型的预期。数量更多的较弱的外磁场同样能进入到检拾线圈，只是干扰更弱对待测伦敦磁矩的影响更小罢了。因为所有磁屏蔽都是按屏蔽系数削弱外磁场，而不是一个智能阀门只许强磁场进入不许弱磁场进入。而且弱场数量多其频率分布更广，穿入磁屏蔽漏洞孔隙的机会更多。 当认为P.59图5 中EW方向的数据曲线以及删去了的数据都是外磁场的干扰所致，则坐标拖曳效应为零。有无限多种外磁干扰模型能与测得的数据相吻合，当然，也能变换一下模型拟合出坐标拖曳效应的进动结果或退动结果。四个陀螺中2、3、4三者以退动为主，平均斜率所代表的退动速率是坐标拖曳效应预期的进动速度率的几十倍，拟合出正、负、零这三种结果都合理。 用P.59图4 中NS方向的数据则只能拟合出测地线效应的进动，若把删去的数据拿来一起拟合其结果相同，只是精度大为降低罢了。 最后，我们对斯坦福大学GP-B小组的科学家们四十多年坚持不懈的努力表示敬佩，祝愿在今后的改进实验中取得完满成功。我们的初步的改进超导磁屏蔽的建议如下：在不改变原来的磁屏蔽措施下，增加对陀螺的全密封超导屏蔽：1，在每个陀螺的两块石英支承的外表面再覆盖铌层；2，两块组合之后的缝隙以及启动转子的氦气进出管和阀门上塗上铌膜。3，捡拾线圈和悬浮支承的电极引线的对外连接采用成熟的 SQUlD 磁力计的磁屏蔽接口。 本文中引用的页数P.xx 是NASA最終报告的页数,原文地址: http://einstein.stanford.edu/content/final_report/GPB_Final_NASA_Report-020509-web.pdf> |
