引力速度的测定，完善牛顿引力定律的发现之路

zensin123

序言：（作者池顺良，来源：http://blog.sciencenet.cn/blog-51667-646834.html）
本文介绍中国科学家在探索引力理论基础研究中的创新之路。从介绍中不难看到，这一创新和发现走过的道路歧嶇曲折，非事先可以预见，所谓可遇而不可求。但实验观测能力和创新的思维确是不可或缺的；研究探索者必须对现有理论的成就与缺陷有一定认识，不盲目迷信流行的主流理论。

这项基础领域的研究和发现历时十五载，目前已得到国内主流物理界的关注和支持，特此将发现过程介绍给关心我国基础科学发展的人们。

（一)  牛顿万有引力定律的辉煌与憾缺

在托勒密，哥白尼，第谷，开普勒对太阳系星体运动精密观测的基础上，牛顿总结出了万有引力定律，并据此给出了开普勒行星运动三定律的精妙证明。

万有引力定律是17世纪自然科学最伟大的成果。它第一次解释了一种基本相互作用的规律，把地面上物体运动和天体运动的规律统一了起来。哈雷彗星、海王星、冥王星的发现，都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。牛顿还解释了月亮和太阳的万有引力引起的潮汐现象。现在，天文学、天体力学研究，人造卫星、宇宙飞船都离不开万有引力定律。

但牛顿万有引力定律并非圆满无缺。

牛顿万有引力公式不包含时间，物体间引力作用不需要时间瞬间完成。牛顿无法解释这种瞬间超距作用，故他从来没有在他的文字中“赋予产生这种能力的原因”，也拒绝对引力产生的起因提出假设。

进一步深入了解引力，就要对引力现象作更细致的实验和观测。

牛顿之后三百余年，物理学家一直没有测得引力作用传播速度的数据。牛顿认为引力是瞬时作用的，爱因斯坦设想它以光速传播，至今物理学家们对引力相互作用的传播或联络速度究竟是无穷大（瞬间完成）还是有限速度（如光速）尚无一致看法。物理学家在想尽办法测量引力速度。

2002年9月，美国理论物理学家谢尔盖·科佩金（Sergei Kopeikin）和射电天文学家艾德·弗马龙（Ed Fomalont）利用木星掩食射电类星体 J0842+1835 的机会，用美国和欧洲的射电望远镜阵观测了该类星体位置的变化，宣称测得引力场以光速传播的结果（误差20％）。后来，国际主流物理学界认为，科佩金/弗马龙测到的不是引力场速度，而是射电波的速度，他们的观测结果未获承认。

同意引力瞬间传播的物理学家也不在少数。

2009年10月28日,在第一届伽利略—徐光启国际会议上，中科院地质与地球物理研究所汤克云研究员根据2009年7月长江日全食观测结果，宣称可能获得了引力场以光速传播的证据。意大利引力波探测站总工程师Adalberto Giazotto教授立即明确表示，不认为超距引力公式有问题；日本引力波探测项目科学家、日本理工学院浅野捷昭教授则更明确表示，引力场是一种静场,其波长为无穷大，太阳引力可以瞬间传播到地球，不需要时间，超距作用是正确的。

到底哪种看法正确？只有靠精确的实验观测来判定真伪了。

引力理论的发展离不开对引力作用传播速度等引力基本特性的实验确证。对大自然基本参数之一的物体间引力作用的传播或联络速度的测量无疑是一个亟待解决的重大科学问题。

（二） 中国科学家发现引力以光速传播得益于学科的交叉与交流

科学发展到今天，许多重大发现来自不同学科的交叉与交流。例如，宇宙微波背景辐射的发现就来自微波通讯技术与宇宙学的结合。引力以光速传播的发现则源于地球物理中的精密重力观测技术与天体物理及引力物理的结合。

地球上物体受到的重力主要由三部分组成：地球对物体的引力、地球自转产生的惯性离心力和日月其它天体对该物体的引力。地球表面重力加速度约980伽，太阳引潮力引起的重力固体潮的幅度，只占全部重力值的千万分之一。但高精密的重力仪已能清晰地记录下因日、地相对位置变化而产生的重力固体潮。地球科学家用重力固体潮数据研究地球的结构和物性。重力学根据牛顿万有引力定律已能预测和计算地球上任意地点和任意时段的理论重力固体潮并与实测重力固体潮数据相当吻合。

既然精密重力仪已经能够在地球平台上观测到日、月引力及其变化，科学家就有可能利用重力仪来测量引力传播速度。

这项工作在等待既关注引力传播速度问题，又熟悉地球重力观测理论和技术的物理学家来实施了。

引力传播速度问题和地球物理学中的重力观测却分属不同的学科，很少有将这两门学科交叉在一起的机会。观测日全食时重力仪记录的异常反映这项研究为两个学科的交叉牵了线搭了桥。

1980年云南日全食，中科院地球物理研究所长期从事重力学研究的王谦身研究员带队，用重力仪在现场观测日全食过程中重力的变化，探索月球挡住太阳时重力是否出现偏离正常理论值的变化。

之后，中科院组织了多次日全食科学观测队，先后由王谦身、汤克云带队作日全食过程中的精密重力变化观测实验。

为在日全食现场精确地记录下尽可能完整的数据，观测队对观测设备作了多次改造。早期观测采用人工目视或照相读取数据，之后逐步改进，采用计算机控制下的数据自动采集。在非洲日全食观测中，重力仪配置了地应变观测中采样率达到每秒100次的数据自动采集系统，实现了重力仪观测数据高密度自动采集。

有两次观测曲线上出现凹兜状异常，似乎表明在日全食过程中太阳引力被月球部分屏蔽。为辨明这一异常现象的真伪，汤克云精心规划了2009年7月长江流域日全食观测方案，得到了中国地震局有关单位的大力支持。在日全食带上选择了三个本底干扰小的基岩山洞，布设了8台重力仪和2台傅科摆进行观测。这次实验进展顺利，获取的数据完整。数据分析显示，以前曾记录到的凹兜状异常在本次8台重力仪上都没有出现，曾经观测到凹兜状异常的实验，应是重力仪没有布置在坚硬基岩地层上，环境干扰所致。观测数据证实，即使在太阳被月球挡住的情况下依据牛顿万有引力定律计算的重力固体潮理论值和观测值也是十分一致的。

在分析长江流域日全食数据时，汤克云开始关注固体潮实测曲线与根据万有引力定律计算的固体潮理论曲线间相位差异（或时间滞后）的研究。引力是瞬间传播还是以某种速度如光速传播，这两种情形在计算理论固体潮时日，月，地三者位置就有所不同，计算出的‘瞬间传播理论曲线’、‘光速传播理论曲线’相位不同。用重力仪的实际观测曲线与这两种情况的理论曲线相比对，何种理论值更接近实际资料便能判断引力的传播速度。

这一思考终于使汤克云找到了测量引力场传播速度的原理和方法，这就是将太阳起潮力理论模型曲线与从重力潮观测值中扣除了月潮的太阳潮观测曲线比较，由两者的相位差来求出引力场的速度。经进一步的研究和数据分析,中国科学家第一个获得了引力作用以光速传播的测量结果（误差5％）。

图1.是西藏狮泉河台2009年8月21日重力固体潮的观测曲线、光速传播模型的日月位置（简称视位置）计算的理论固体潮曲线、瞬间传播模型的日月位置（简称真位置）计算的理论固体潮曲线。从图1看，三条曲线虽然重叠在一起，但在局部放大图中可看出三条曲线并不完全重合，相位存在差异。


图1. 西藏狮泉河台重力固体潮观测值、光速模型（视位置）理论值、瞬间模型（真位置）理论值的比较。

图2.是图1中小方框的放大图。固体潮观测曲线与光速传播模型（视位置）理论固体潮曲线符合得较好，两曲线的同相位时间差约40秒。考虑到粘弹性地球形变的附加引力使起潮力的平均响应延迟约0.20，〔1〕 相当于约40秒而加以扣除，则光速传播模型与固体潮观测曲线符合得更好；而瞬间作用模型（真位置理论曲线）与观测曲线的同相位点时间差在130秒量级，两者符合得很差。这就初步否定了瞬间作用理论的合理性！


图2. 图1的局部放大图

光线从太阳到地球约需500秒，从月球到地球需1.3秒。重力仪的采样间隔为1秒，测定时间的误差在1秒量级，测定太阳引力的传播速度会比较准确。固体潮观测曲线由日潮和月潮两部分叠加构成，由总观测曲线中扣去月潮理论值可得到包含了全部观测噪声的准日潮观测曲线。图3.是准日潮观测曲线、日潮视位置理论曲线、日潮真位置理论曲线位相比较图。图4.是图3中小方框的放大图。


图3. 准日潮观测曲线、日潮视位置理论曲线、日潮真位置理论曲线位相比较


图4.  图3 的局部放大图

从图4我们得到：光从太阳传播到地球需时508秒，日潮观测值与视位置理论值的上、下偏差39.8秒和47.9秒三个数据，但和真位置理论值的偏差达500秒之多。

汤克云导出了根据这些数据计算引力传播速度的公式。

根据狮泉河和乌什两个台站3天6组观测数据，得到引力相互作用以光速传播，误差不超过±5％的实测结果。

这项工作使用我国西部地区多台精密重力仪观测数据，数据量充分，观测数据的信噪比高，计算传播速度的公式概念明确，所得结论是十分可靠的。

至此，中国科学家利用安置在地球观测平台上多台精密重力仪的重力固体潮观测数据，测得了引力作用以光速传播的结果，困扰物理学三百多年的引力速度之谜终于被破解了。

引力传播速度的测定，其科学意义不亚于人类第一次测定出光速！

知道引力以光速传播，我们就能赋予牛顿引力理论以新生命力！

（三） 新引力定律提供了不同于弯曲时空描述的新视角。

引力以光速传播的测量结果表明，引力瞬间传播的牛顿万有引力定律需要修正，补充和完善。按照这个思路，汤克云引入推迟引力修正牛顿引力公式，避免了“超距作用”和“不满足洛伦兹协变” 两大缺陷。又用新引力公式计算水星近日点进动、光频引力红移、光线引力偏折以及雷达回波延迟的数值，与观测结果符合得极好，也与爱因斯坦广义相对论宣称的结果相同。

2011年8月15日，汤克云在《2011年中国物理学会引力与相对论天体物理年会》上，作了题为“用推迟引力求解水星近日点的进动”的报告。

重庆大学李芳昱教授认为：“水星近日点的进动是一个十分重要的基本问题，曾经十分困难而复杂，到目前为止，只有爱因斯坦广义相对论成功地解决了这一问题。汤教授的思路独特、方法简单，得到了与爱因斯坦广义相对论完全相同的结果，出乎意料。这说明，解决复杂问题不一定非要复杂的方法，相反，方法愈简单愈好。”

2012年2月23日，由中国科学院国家天文台，紫金山天文台，上海天文台，云南天文台，理论物理所，高能物理所，中国天文学会，中国天文学会高能物理分会，中国物理学会引力与相对论分会和南京大学联合主办的天体物理与相关前沿问题研讨会在南京举行。汤克云应邀作专题报告。

会议主席、高能物理所研究员、清华大学天体物理中心主任李惕培院士在作了题为《宇宙学观测与物理学的困惑》的报告后指出，宇宙学的观测数据，如宇宙背景辐射，与弯曲时空不符；当今物理学界过度关注数学和几何，对物理层面的关注不够；我认为, 一个引力理论的平直程度是这个理论成熟程度的标志。……汤克云和他的团队发现了引力场以光速传播的证据；他用推迟引力顺利求解了水星进动，光线偏折和引力红移。为引力理论研究开辟了一条新路。

作为一阶近似，牛顿引力在太阳系中通过了所有的检验，成为检验所有其它引力理论的第一块最重要的基石；在二阶近似的意义下，推迟引力与广义相对论同样通过了水星进动的检验，都是对引力或时空的某种合理描述。但推迟引力比广义相对论容易求解，更容易施用于实际问题。

随着精密空间大地测量技术的发展，用一阶近似牛顿引力计算卫星星座时空坐标后还需作相对论二阶修正。汤克云的推迟引力公式也许能够无须二阶修正直接给出星座坐标，如能实现，我国的北斗系统就能用上自己的星座时空坐标计算系统。

爱因斯坦用时空弯曲的引力理论解释了水星近日点进动等牛顿理论无法解释的现象，被誉为二十世纪伟大的理论成就。

汤克云则在实测引力传播速度基础上，在闵柯夫斯基平直时空中，用他修正的牛顿引力理论同样解释了水星近日点进动等高阶效应，给人类认识宇宙提供了不同于弯曲时空描述的新视角――无论是弯曲时空或平直时空，只要能解决水星进动检验，都是正确的方法，但都只是正确的数学方法，而不能由此断言：“我们的物理时空是弯曲的或平坦的”。 鉴于平坦时空与人们的经验更接近，人们更愿意相信，我们的物理时空更接近平坦时空。

牛顿之后，三百多年过去了，引力仍然是四种基本相互作用中，物理学家了解得最肤浅的，原因就在引力实验的缺乏，理论就无法前进。在测定引力传播速度后，物理理论家构建更完善的引力理论就有了更多合理的约束。

我国科学家在国际上首次测得引力传播速度，在观测事实基础上修正牛顿经典万有引力定律，得出在平直时空中满足洛伦兹协变要求的“推迟引力理论”，是中国科学在经济、科学、文化大发展背景下，基础研究从跟踪模仿向自主原创、引领发展转型取得的重大成果。

wuhongyi

最后一句话。。。。。。

acp134

回复 2# wuhongyi


   

本主题由 fwjmath 于 半小时前 移动

zensin123

那个博士使用乾坤大挪移，把我的帖子移动了这边，我还以为删了！

前朝遗少

那个博士使用乾坤大挪移，把我的帖子移动了这边，我还以为删了！
zensin123 发表于 2013-1-2 16:51

引力延迟的典型案例

kittyjia

人的思维可以瞬间从宇宙一端到另一端，这是精神层面的东东。

YuezhouLyu

没有看内容但感觉30%是民科文

swh@home

回复 7# YuezhouLyu

这个还真是专业的，我平时很关注这个网站，该博文我也浏览了一下。

作者百度百科介绍：

池顺良,男,河南省鹤壁市科委副主任、市七届政协主席，鹤壁市地震局高级工程师(教授级),1940年生,1963年毕业于同济大学,主要从事钻孔应变仪器研制、地壳应变与应变固体潮观测、大地构造与地球动力学研究，我国资深地震监测预报领域专家,中国地震学会地震观测技术专业委员会委员、中国科学院大地测量与地球物理研究所开放实验室客座研究员、地震学报编委。2002年出版专著《海陆起源》，对板块构造学说提出了质疑。
  
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PS：该文引自科学网博客，该网站貌似要求学历在硕士以上才能开博的说，本科生飘过。。。

前朝遗少

市七届政协主席，鹤壁市地震局高级工程师(教授级)



飘过

swh@home

回复 9# 前朝遗少

教授级高工，跟传说中的教授级研究员有一拼啊！

YuezhouLyu

回复 8# swh@home


    原来如此啊那就应该不是民科写的啦~主要是我当年在几个物理相关的贴吧混留下了后遗症，看到这种文章都有不祥的预感><

swh@home

回复 11# YuezhouLyu

是的，我也记得有一段时间民间科学家对基本物理问题是发表了一些意见，标题跟这个是挺像的说。主要是楼主把图给省略了，民科文章长篇大论没有图表和公式很常见。

前朝遗少

回复 10# swh@home

有人忽悠俺去弄教授级高工

但存方寸地, 留与子孙耕吧

superTWT

教授级高级工程师，说到底还是工程师。就是个职称而已。。。。

前朝遗少

啥时候有院士级高工俺去买一个安慰一下列祖列宗