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引力磁场理论预言 GP-B 实验！
上一篇作者提到卫星陀螺实验会出现相对性理论意外的结果。那么本书作者为什么会做出这一推测呢？卫星陀螺实验又是一个什么样的实验呢？ 本文牵涉一个重要的引力效应，引力磁场，考虑有些读者初次接触这方面的问题，所以先解释一下什么是引力磁场。如果把磁力比作电力的一种弱效应力，那么引力是不是也会有其一种弱效应力呢？现在很多的学者猜测运动物体之间的引力计算方法与 Newton 的方法会有所不同，猜测运动物体之间有一种类似于磁力的弱引力作用存在，当然也可能是排斥作用的，人们一般以“引力磁场”称呼这种力作用。引力问题相对而言比较困难，研究引力问题的学者不是很多，梅晓春先生类电引力、类磁引力的说法比较容易清楚地说明问题。不过我觉得北京中国科学院力学所退休的郑铨老先生的引力磁场说法比较正规，所以也采用引力磁场的说法。 引力磁场的猜测合情合理，但是最合理的猜测也需要实验的支持。由于这个效应太弱，实验非常困难，上个世纪 60 年代，Stanford 大学的一帮物理学家就开始筹划这方面的实验，称为 GP-B 实验。但是这一实验好事多磨，命运颇为波折，因技术、经费等问题多次面临下马的边缘，幸运的是这一筹划了半个世纪的实验终于在 04 年 4 月 20 日送上太空，人们期待着一年以后的实验结果。 一般的引力理论都会涉及引力磁场问题，但是几乎所有的引力理论中除了引力磁场假设还不足以解决问题，为了能够解决问题还往往引入了其它的附加力。广义相对论虽然没有附加力的说法，但是在我们看来它只不过采用了时空弯曲的迂回说法而已。在通俗说法上我们说它也采用了附加力的说法，也容易让人们能够大体理解这方面的问题。根据中国汕头大学退休教授章钧豪先生的文章，用通俗的语言讲，卫星陀螺实验是检测引力磁场效应和其它附加引力效应的实验。当然也可以说，卫星陀螺实验是检验地球周围时空弯曲程度是否符合广义相对论的理论计算的实验也行。当然只要能够让人们明白大体是怎么一回事情，采用什么样的说法不是重要的事情。那么这些附加力假设是否合理呢？众多的理论中广义相对论的假设前提是否更合理呢？这些问题最终需要通过实验来进行裁决。想来还是幸运的，大约再过一年的时间，我们就可以知道 7.5 亿美元换来的实验结果。 离知道实验结果还有一段时间，也许并不是一件坏事。我们可以利用这段时间完善我们的理论，给出一个成功的预言。本书作者相信引力磁场以外的附加力是没有的，所以本书作者一直来猜测卫星陀螺实验会发生相对性理论以外的结果。作者猜测实验最后只是验证了引力磁场的存在。但是由于这个实验的实验理论问题是一个非常专业的问题，我一直来没有给出准确地进动率预言。 通过研究章钧豪老先生的文章，了解章钧豪老先生在《时空真的是弯曲的吗？》一文中计算轨道效应的陀螺进动率算式为， dω^/dt = ( 1 / 2c ) [ ω^×B^ －φω^ + ω^ Sp(φ)] －GM ( r^×v^ ) ×ω^ / 2 c c r r r 。 （算式中^为矢量符号）这里，其中 φ 是引力势参数，其中最后一项 GM ( r^×v^ ) ×ω^ / 2 c c r r r 据说是环形轨道加速度效应，称为 Thomas 项，大概是 Newton 理论效应。引力磁场理论不考虑引力势因素，所以据此可以认为引力磁场理论计算轨道效应的陀螺进动率算式为， dω^/dt = ( 1 / 2c ) ω^×B^ －GM ( r^×v^ ) ×ω^ / 2 c c r r r 。 B^为在卫星参照系上看，地球在卫星处产生的观测效应性质的引力磁场强度。我们采用类似于电磁学的算法， B^ = GM ( v^×r^ ) / r r c， 代入上面算式，得到引力磁场理论计算轨道效应的陀螺进动率 dω^/dt = 0^ 。 卫星绕地球运动导致的陀螺进动率为零，这一结论有点意外。但是在卫星中不能根据陀螺的运动来发现卫星相对于地球的运动正是某种相对性原理的要求。因此这个结论应该具有可信的成分。 现在考虑地球自转原因产生的陀螺进动率。 章钧豪老先生计算地球自转产生的引力磁场的算式， B^ = 3 GMRR [ 3 r^ ×( Ω^×r^ ) －2 r 2 Ω^ ] / 5 c r r r r r 。 对于陀螺转轴总是与引力磁场垂直的情况，地球自转产生的引力磁场在卫星轨道上的磁场，方向问题不再重要，可以考虑其标量数值， B = 3 GMRR Ω ( 2－3 sin α sin α ) / 5 c r r r ， Ω 为地球自转角速度，α 是卫星轨道半径矢量与地球自转轴之间的夹角。这个引力磁场在卫星轨道上数值并不恒定，不过可以求得平均值， B = 3 GMRR Ω / 10 c r r r ， 因此根据 dω/dt = ( 1 / 2c )ωB，可以得到地球自转因素导致的陀螺最好进动率， dω/dt = 3 GMRR Ω ω / 20 c c r r r 。 这个算式得到的进动数值为广义相对论进动率算式值的 3 / 4 。 引力理论，除了 Newton 的初步形式，后有 Einstein 的弯曲时空引力理论，当然还有其它各种各样的引力理论，比如基于狭义相对论的引力理论，量子引力场论，也有这里受经典电磁学启发引出的引力磁场理论。不同理论对于卫星陀螺实验会给出了不同的预言，理论是否合理，预言是否正确，最后由实验确定。 Einstein 的弯曲时空引力理论给出陀螺进动的轨道效应部分和地球自转效应部分最好进动率算式是， dω^/dt = 3GM ( r^×v^ ) ×ω^ / 2 c c r r r ， dω/dt = GMRR Ω ω / 5 c c r r r 。 不过，本书作者支持引力磁场理论，觉得这个理论启发于经验性的电磁学理论，比较靠得住。下面将各个理论给出的预言数值进行相对比较（以 Einstein 的引力理论为基准）。 学者 理论名称 轨道效应 地球自转效应 Einstein 弯曲时空引力理论 3 4 陈绍光 量子引力理论 x 0 章钧豪 狭义相对论引力理论 2 6 Youngler 引力磁场理论 0 ~ 1 3 Newton 万有引力理论 －1 0 Einstein 的弯曲时空引力理论，完全采用了 Newton 方法以外的方法，加速度和引力可以抵消，从观测角度和数理角度推测另一个观测图像，它完全不考虑 Newton 力学的问题因素。狭论引力理论实际上是 Newton 方法，电磁学协变方法以及无奈之下大家临时采用的附加力方法的综合。由于考虑了 Newton 万有引力理论的负效应因素，所以轨道效应与 Einstein 的弯曲时空引力理论相比数值小了。本人由于采用的是过去朴素力学方法，将行星轨道异常原因归结为引力场气体的惯性因素，因此引力问题除了引进一个类磁引力之外，其它额外的附加因素都不再考虑，当然力学本身的问题还是需要考虑的，所以考虑了可能是陀螺局域坐标系加速度的均匀和引力空间的不均匀差别引起的 Thomas 进动因素。机械效果与电磁效果正好抵消，也是一种巧合，不过倒也呼应了某种相对性原理。再说那个本人也不甚明白的量子引力理论，可能不主张引力与电磁力的类比，也就没有地球自转会产生引力磁场之类的问题。量子引力理论者不认为有引力磁场的原因可能是，如果认为存在一种类磁引力，那么接着的问题马上就是，引力场是量子化的，引力磁场是不是量子化的？如何将引力磁场量子化？是否会产生难以求解的数学问题？所以现有的一些量子引力理论是没有考虑引力磁场问题的，也就不存在地球自转导致的陀螺进动问题。 各种理论对于正在进行着的实验作了各种各样的预测，那么我们有一个问题，最后谁能够运筹帷幄，算准天上陀螺的进动速度？ 现在的时间是 2005.06.03，离得到 GP-B 实验的最后结果还有三个月的时间。实验的运行经历了大半的时间，低精度的中间结果应该早已整理出来。现在这方面的工作很安静，Stanford 大学的科学家没有公布低精度的中间结果，即使是定性的结果也没有公布，到底是什么原因？发生了什么事情没有？对于这一实验的结果趋向和 Einstein 引力理论的命运以及 Stanford 大学的科学家没有公布低精度的中间结果的理由，我们只能做一些猜测。也有一个值得猜测的原因，即实验结果出现了明显的意外，也就是说实验迹象显示偏离了 Einstein 引力理论的描述。意外的实验结果走向说明实验趋向于成功，但是却把尴尬留给了科学界，即科学预言的失败。当然，一定要等到最后最好精度的实验结果出来以后，公布最后最好精度的实验结果也有一定的理由。因为提早公布半精度的实验结果可能不能说服部分学者，有部分对 Einstein 引力理论很信仰的科学家可能只佩服最好精度的实验结果。我不在美国，但是如果在美国并有幸看到 Stanford 大学有关的科学家，我想尽管他们没有公布已经很有说服力的中间低精度的成果，实验结果的走向应该已经能够体现在 Stanford 大学的有关科学家的表情上，并为我们所感觉。 |