引力中的热现象实验研究
2004.02.04 by Youngler 羊歌乐
A . 引言
引力能够吸引热量咋听起来确实令人不可思议。其实包括最初想到这一问题的学者，对此也一直抱有令人不可思议的感觉，但是严格的分析过程让我们坚信引力吸引热量想法的正确。现在已有不少学者在从事这方面的理论和实验研究并取得一些研究成果，遗憾的是这方面的理论研究成果和实验成果目前还很难获得职业物理学界的普遍关注。本人受几位学者朋友的催促整理有关引力中的热现象实验方面的研究资料。
B . 引力中热现象的基础理论探索
1996 年开始考虑引力作用和非惯性系惯性效应对于分子热运动的影响。考虑气体不同高程机械能相同假设无法解释本人最初的实验观测，所以转而认为重力加速度场中的分子运动和碰撞过程是接力抛射体过程，随着高程增加，气体分子热运动重力方向分量速度以抛射体规律减小：
v 2 / 6 + g h = 常数 或者 ΔT / Δh = 2 M g / R 。
v 是分子热运动均方根速度，g 是重力加速度，h 是高度，M 为分子量，R 为气体常数 8.314 j / mol .K。可以发现引力温度梯度与材料分子重量成正比。把空气当做理想气体可以推导出每米空气的引力温差 0.068 C，大尺度的气体由于对流运动导致的实际情况是地势每上升 100 米高程平均气温降低约 0.7 C。对于固体和液体因为原子核热运动受到限制也应该达不到理想气体的效果。根据固体液体的热容性能不比气体差很多，我们推测固体液体中的原子核热运动并没有受到非常严格的限制。在这里我们应该注意到对于固体液体更准确地说 热量现象主要联系于原子核的运动。其实对于晶体材料从原子碰撞能量交换平衡角度很容易推导出热平衡情况下存在温度梯度：ΔT / Δh = 2 a M g / R，a 为原子核振幅系数，是原子核振动幅度与原子核间距的比值，a < 1 。如果这方面的理论成立，也可以根据固体的引力温差效果来推测固体中原子核的振动幅度。根据热平衡状态下晶体的引力温差分析也可以由此推向更加一般的情况，对于其它固体液体也有 ΔT / Δh = 2 a M g / R，分子量 M 大于 3 倍平均原子量时约取 3 倍平均原子量。
令人高兴的是，今天我已经知道有很多学者在努力发展这方面的理论。
有了初步的理论思路，接着关心实验方面的证据。通过卫星观测地球热辐射获得的结论给人半信半疑的感觉，不过在没有找到其它实验资料的情况下只能借据这一观测结论，即只有大约一半左右的基于经典理论计算的温差热量从地球内部通过地壳地层撒向地壳外面。可以假定这另一半左右的计算热量是由于地球引力的原因而被挽留了下来，据此推测陆地地层中可能近乎没有温差热流穿过。陆地地热增温如果与引力作用基本平衡，1 米岩石地层的引力温差大约是 0.025 C，由此可以推算常温下固体液体的引力温度梯度：
ΔT / Δh ≈ M g / R 。
另外，从理论上说引力温度效应的存在可以推知惯性温度效应的存在。火箭头高温问题也说明这一推测具有某种合理性。当然科学需要完善的理论和更多的实验证据，我们能不能通过特意设计的实验来观测到这两种温差呢？
C . 引力温差实验的实验原理
材料处于热平衡状态下预计存在引力温差，所以做一根隔热金属棒作为实验装置就可以用来检测引力温差。1.0 米长的铜棒产生的引力温差由 M g / R 估计为0.07 C。如果能够找到刻度分度为 0.1 C 的温度计，应该可以观测到 1.0 米长铜棒产生的引力温差。对于导热性能差的材料比如气体，想来很难做出一块隔热中的气体，因此气体的引力温差观测只能采用温度场分析办法。至于实验观测离心效应产生的温度差，困难的问题是很难设计不受到转动影响的测温系统。
D . 隔热不理想对于实验的影响
对于一根细长的金属棒，隔热不理想会导致温度观测误差，经简化模型温度场分析，隔热不理想导致温度观测误差可以由下式估计：
G 为隔热材料的导热性能，纤维材料通常值 0.04 ~ 0.1 w / m .K，g 为金属棒的导热性能，铜 390 w / m .K，铁 46 w / m .K，l 为金属棒长度，d 为金属棒直径，D 为隔热材料直径，T 2 为金属棒下端温度，T 1 为金属棒上端温度，R2 为金属棒下端环境温度，R1为金属棒上端环境温度，ln 为自然对数符号。这一算式对于实验设计和误差预测具有指导意义，其推导比较理论性，另外著文阐述。
E . 实验技术方面的考虑
本次引力温差实验力求克服 1996 年的实验在粗糙简陋等方面的不足，特意购置了金属棒，制作了隔热玻璃木箱。实验采用金属棒长度 1208 毫米，直径 40 毫米，隔热层平均厚度 50 毫米。隔热材料比较容易选择，此次采用腈纶丝隔热夹多层光亮纸以防止辐射干扰。本次实验装置原设计准确度为 98 %，由于冬季湿度导致隔热性能不理想，如果没有室内温度很稳定的实验室条件，实验精度可能达不到设计要求。关于温度仪器的选择，有人建议采用热电偶类温度计，但根据我们的考证，热电偶类温度计的分辨率在 0.1 C 就不稳定，所以一直从未采用过这种温度计。精密电子温度计价格昂贵，另一个缺点是担心探头微电发热对于被测对象温度的影响（从Φ40 铜棒(铁棒)传热方面计算，为保证 2 % 实验精度热敏电阻持续发热不平衡功率应小于 0.5 mw ( 0.05 mw)）。玻璃类温度计的缺点是反应速度慢，如果采用单根温度计对实验室有严格恒温要求。与电子类温度计相比，传统的玻璃水银温度计有一个优点是无需太多担心温度计本身对于观测对象的影响。由于没有采购到更好的温度仪器，温度计采用两根量程 0 ~ 50 C 刻度分度为 0.1 C 的普通玻璃温度计，采用温度计轮流交换观测的办法消除两根温度计之间的不一致造成的误差。实验地点是在浙江仙居羊歌乐家庭住所。
温度计
F . 金属棒
实
验
装 腈纶丝
置
示
意
图
木 架 温度计
G . 实验纪录 ( 摘录 )
H . 数据分析和实验结论
统计实验摘录的数据，可以得到实验中的铜棒下端温度比上端温度高0.047 C。从以上提供的数据看，8 日和 9 日的天气对于铜棒实验是幸运的，阴天天气导致实验装置的环境温度非常稳定，金属棒两端里外的温度也非常一致，因此可以认为各种因素导致的温度观测误差都很小，8 日和 9 日的实验的数据具有很大的可靠性。装置和环境的温度如果很稳定，实验装置倒置观测应该获得相同的温差结果，8 日和 9 日的实际观测结果也证实了理论方面的推测。实验金属棒与隔热材料外面温度不一致情况下观测的数据需要进行分析才能得到金属棒的引力温差 ΔT。假定 ΔT = ΔTr + a ( ΔTr +ΔR ) 。ΔTr 为直接观测到的温度差数据，下温度计度数减上温度计度数，ΔR 为实验装置上下端室温差，上端温度减下端温度，a 为总的误差修正系数，是一个待解系数。有两组观测数据就可以解出 a 值。如果预先知道隔热不理想温差修正系数 b = ( ΔT - ΔTd ) / ( ΔTd +ΔR ) 和温度计接触不理想温差修正系数 c = ( ΔTd - ΔTr ) / ( ΔTr +ΔR )，ΔTd 为实验装置金属棒上下端温度差，那么 a = b + bc + c。铁棒实验由于天气不稳定导致室温上高下低，实验结果需要误差修正，可以算得结果为 ΔT = 0.115 C。实验金属棒长度 1.208 m ，估计1.0 米长铜棒（铁棒）产生的引力温差为 0.039 C（0.095 C）。根据这一观测结果代入算式 ΔT /Δh = 2 a M g / R 可以得到常温下固体原子核的振动幅度小于原子直径的 4 分之一。通过实验我们发现铁的引力温差效果比铜更为明显，这可能说明对于合金，我们不能认为热运动中的原子是完全独立的，我们还应该考虑分子因素在热运动中的作用。另外如果铁棒温差实验数据可靠，反过来可以估计地层引力温度梯度 0.032 C/m，陆地地壳高原区域应该存在流向地球内部的引力热流。
I . 后记
应该说本次实验与过去的试探性实验相比，实验在实验理论、技术处理和实验条件方面都得到了大大的改进，考虑的问题也更多。当然正规的实验还只是开始，温度计本身的精度和实验稳定性还需要进一步地提高以及在更多的地方重复这一实验，以得到更加可信和更加精确的实验数据。本次实验的实验装置是经过设计根据尺寸制作的，铜棒和温度计都是专门采购的，因此实验得到的数据与以往相比也就更具准确性。按照本次的实验结果，1996 年的实验效果偏大，现在看来是由于没有很好隔离辐射导致的。根据近期的实验，本人逐渐意识到精密温差实验的确是一个非常容易受到干扰的实验。所以后来的实验是将装置至于完全黑暗的车库里进行的，为了减少人体走动对于实验室温度的干扰，只有在观测的时候人才进入实验室，为了减少灯光辐射影响，仅在观测时以微手电筒照明。即使如此，本人还是感觉到人体走动和天气变化对于实验室温度的影响。
引力和非惯性系对于热量流动的影响是新的研究课题，虽然我们已经非常谨慎或许依然还有疏忽问题的存在，所以更希望学者朋友们为我们的工作进步指出我们工作中的问题和不足。也希望通过我们在实验方面的努力能够推动专业物理学界开展这方面的理论和实验研究。应该说有过多次失败的经历和经过多次的实验改进，我们有很多理由相信我们是通过实验观测到了铜和铁这两种材料在隔热环境下由重力加速度产生的温差现象。我们认为这次实验观测到的温差没有新的意外疏忽应该是属于某种理论性的温差，属于技术失误造成干扰温差的可能性应该很小。至于这一温差是什么理论原因以什么样的机理造成的，以及引力温差结果具有什么样的物理理论意义，当然更多的学者可以发表更多的见解。但就本人看来，我们认为为这一温差找到惯性和引力以外的原因的可能性是很少的。
按照以往的一般说法，地热的温差热流也是解释隔热金属棒温差效应应该考虑的可能解释，但是热流穿过导热性能良好的金属棒应该产生远小于空气的温差效果。其实正是地热热流穿过导热性能差别很大的地层却没有留下同样差别的温差效果，导致传统热学理论的尴尬和人们寻求更加精确的热学理论。因此隔热金属棒的温差效应不可能是自下而上的地热热流造成的。同时我们认为引力和非惯性系中的热现象理论与实验研究其主要物理理论意义在于认识星球地热形成的完整原因以及为研究气象物理学提供更加精确的物理理论基础。
如果我们通过这样的实验观测到的的确是一种主要是引力性质造成的温差，同时我们能够推测肯定还有很多其它类型的材料同样会有引力温差的存在。在完成多种多样材料的引力温差实验之前，我们还不能断言是少数材料存在引力温差还是多数材料存在引力温差。当然在观测了很多材料的引力温差之后，要说明是否所有的材料都存在引力温差，应该说这是个理论问题了。虽然前面就理论问题作了些阐述，但是仅凭这一些肯定是不够的。鉴于此，本人真诚祈望此次实验工作能够起到抛砖引玉的作用，引出这方面更多更好的理论和实验论文，推动引力加速度场中的热现象这一课题的深入研究。
（完）
----------------------------------------------------------------------------------------------
Email : wangjianbin@mail.tzptt.zj.cnTel : home 7752201, office 7772272, mobile 13357620781
Address: 317300 浙江省仙居县环城西路 197 幢 2-201 胡杨斌先生