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宇航器减速之谜
摘要： 美国宇航局发射的“先驱者 10”等四艘宇航器减速问题是进入新世纪以来天体力学方面的大事，它对牛顿万有引力定律的质疑是准确而且有力的，它证明了开普勒对引力的设想，证明了广义相对论“引力框架拖曳”之预测，同时也为涡旋力（即万有引力切向分量）公式的正确性提供了较精确的判据。 实验是检验理论的惟一标准。2001 年 5 月美国航天局的科学家观测到：发射的宇宙飞行器偏离按照万有引力定律计算的轨道，而且速度变慢，美国航天局的科学家对这一现象深入研究后，对牛顿万有引力定律产生了质疑。这种情况最初是在“ 先驱者 10”上发现的，1992 年 12 月，它的飞行轨道发生了一个极其微小的方向变化，随后在 1998年，科学家又意识到该探测器减速的速度比预期快，虽然这一额外加速度非常小，只相当于地面重力加速度的一百亿分之一。 图 7-1 “伽利略”号探测器于 1996年到达木星，对木星系统进行详细考察 科学家们本认为这只是探测器内部设备问题，但随着“先驱者 11”、“ 伽利略”以及“ 尤利西斯”等探测器也出现了同样问题，这一原因被解除了，而且也不是未发现星体产生的引力，因为“先驱者 10”和“ 先驱者 11”相距 220 亿公里，不会存在一个如此大的星体。因此，科学家们产生了怀疑，认为在宇宙尺度水平上，牛顿的万有引力就不再有效，也就是说万有引力定律存在局限性，只在一定条件下成立。 “先驱者 10”为 1972 年发射，用以探测行星际介质、木星磁层和大气，1983 年越过海王星轨道；“ 先驱者 11”于1975 年发射用于探测木星；“ 伽利略”号探测器于 1989 年10 月发射，1990 年 2 月飞越金星，1996 年历时 6 年，行程3.7 109公里，终于到达木星周围，2 年内绕木星 11 圈，对木星进行考查。“先驱者 10”和“先驱者 11”访问过木星和土星，两艘“旅行者号”飞船接近天王星和海王星，这四艘飞船现在都已飞抵太阳系边缘。 美国航天局科学家对宇航器提出的减速问题对牛顿万有引力定律的质疑，与本实验结论可谓不谋而合，下面试对其运行轨道进行分析。 1 定性分析：“先驱者 10 号”、“先驱者 11 号”和“伽利略号”等都是在地球发射，脱离地球轨道（ 地球涡旋）去探测木星的，虽然脱离了地球涡旋，但仍处于太阳涡旋中；由于地球距太阳近，故地球公转轨道附近太阳涡旋力大，而木星离太阳远，故涡旋力小。以地球公转轨道附近作为参照系，观测木星公转轨道附近的航天器就觉得减速了。 2 定量分析：基本数据：地球自转角速度 ωe=1.16*10^-5圈 /秒太阳自转周期 25 天，太阳自转角速度 ωs=ωe/25 太阳质量和地球质量关系：Ms=3.3*10^5*Me 地球半径 Re=6.4*10^3km 地球至太阳距离：ds-e=1.5*10^8km 木星到太阳距离：ds-j=7.78*10^8km 以太阳为中心，在地球公转轨道附近的涡旋力： Ft-e=G*Ms*m*ωs*k/d^2s-e......① 代入数据： ........G*（ Me*m /R^2e）*3.3 *10^5*1.16*10^-5*0.40 Ft-e=----------------------------------------------- ..............25 *（1.50*10^8/6.4*10^3）^2 =1.12*10^-10*G*Me*m /R^2e=1.12*10^-10Fne 式中 Fne为地面对宇航器的引力即重力。 在木星公转轨道附近受到太阳的涡旋力 Ft-j Ft-j (ds-e)^2 1.5*10^8）2 -----=---------=（---------)......② Ft-e (ds-j)^2 7.78*10^8 Ft-j=0.037Ft-e 以地球公转轨道作参照系观测到木星公转轨道附近航天器减速的力 Ft=F(t-e)-F(t-j)=F(t-e)（1 -0.037）=1.08*10^-10*Fne......③ 这一结论与美国科学家提出的数据是较接近的。本章小结：美国宇航局发射的“先驱者 10”等四艘宇航器减速问题是进入新世纪以来天体力学方面的大事，它对牛顿万有引力定律的质疑是准确而且有力的，它证明了开普勒对引力的设想，证明了广义相对论“引力框架拖曳”之预测，同时也为涡旋力（即万有引力切向分量）公式的正确性提供了较精确的判据。 参考资料:<<神秘的涡旋力 >>.2005-5已出版 |
