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twxz木蟲 (正式寫手)
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[交流]
引力探測器Ｂ實驗（GP-B實驗） 已有2人參與
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“引力探測器Ｂ”實驗（GP-B實驗）分析 美國斯坦福大學與美國國家航空航天局合作的“引力探測器Ｂ”實驗（GP-B實驗）結(jié)果在2011年5月5日正式公布。實驗者聲稱已經(jīng)證實了愛因斯坦廣義相對論中預言的 “短程線效應”和“慣性系拖曳效應”。對這個GP-B實驗，梅曉春先生有一篇文章對它進行討論，題目是‘GP-B實驗結(jié)果實際上證明廣義相對論等價原理不成立’。對梅曉春先生在這篇文章中的觀點，我有不同的看法。我認為梅曉春先生有的觀點是錯誤的，有的提法則不過嚴謹。在文章的開頭，梅曉春先生首先說明：‘下文引用的陀螺進動公式的推導來自S.溫伯格的《引力論和宇宙論》一書。在平直時空參考系，或在引力場中自由降落的局部慣性系中，球形陀螺繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動不受力矩作用，……’。可是后來梅曉春先生又提到：‘顯然以上所有的計算都是相對地球質(zhì)量中心靜止參考系進行的�！榱藢λ恼_性進行檢驗，我們必須在地球質(zhì)心靜止參考系上進行觀察。然而GP-B實驗的觀測卻是在運動衛(wèi)星參考系上進行的�！�。 在這里梅曉春先生認為,‘在引力場中自由降落的局部慣性參考系’是可以看成‘平直時空參考系’，而‘運動衛(wèi)星參考系’則不能看成是‘平直時空參考系’。我認為這個觀點是錯誤的。在‘引力場中自由降落的局部慣性系’中，因為引力場被‘自由降落的加速度’所抵消；但是在‘運動衛(wèi)星參考系’中地球的引力場，也被衛(wèi)星繞地球的軌道運動所產(chǎn)生的‘向心加速度’所抵消，為什么‘運動衛(wèi)星參考系’就不能被看成是‘平直時空參考系’？衛(wèi)星中的宇航員和自由降落電梯中的乘客一樣都處于失重狀態(tài)，他們同樣都感受不到地球引力場的存在。 在討論對GP-B實驗結(jié)果的解釋時，梅曉春先生把‘引力場中局部慣性系的有效范圍很小’的這個近似條件認為是‘愛因斯坦的等價原理就這么脆弱’的表現(xiàn)。從而認為：‘GP-B實驗在衛(wèi)星參考系上觀察到陀螺的進動，只能證明愛因斯坦廣義相對論的等效原理失效。它說明在引力場中自由降落的衛(wèi)星參考系上，引力場并沒有被局部地消除，GP-B實驗結(jié)果需要另外尋找理論解釋’。 我認為這個說法有些是錯誤的，有些是不嚴謹?shù)摹?br /> 我認為愛因斯坦的等價原理是正確的�！鲋芯植繎T性系的有效范圍很小’是一個相對的概念。‘有效范圍很小’只是表示等價原理成立的范圍不能無限制的擴大。在地球附近的區(qū)域，我們之所以可以認為地心參考系是一個近似慣性系，就是因為‘地球和它附近的物體組成的系統(tǒng)’在做繞太陽的軌道運動時，慣性力可以把太陽對‘這個系統(tǒng)所處的局部區(qū)域內(nèi)的物體’產(chǎn)生的引力給抵消掉。但是地球?qū)λ浇矬w的引力并沒有被‘這個系統(tǒng)’繞太陽轉(zhuǎn)的軌道運動產(chǎn)生的慣性力所抵消。在地球附近的區(qū)域，在應用牛頓動力學方程解決動力學問題時，我們可以不考慮太陽對運動物體的引力影響，但需要考慮地球?qū)\動物體的引力作用。愛因斯坦的等價原理并不是說在自由降落的局部慣性系內(nèi)，所有物體之間的引力作用都被‘自由降落運動’所產(chǎn)生的慣性力完全給抵消了。如果在自由降落的電梯中，有一個可以可以測量出萬有引力常數(shù)用的‘卡文迪許扭秤’，雖然這個扭秤中的大鐵球感受不到地球?qū)λ鼈儺a(chǎn)生的引力的存在，但各個大鐵球之間仍然可以感受到其它大鐵球?qū)ψ约旱囊Γ瑥亩梢詼y量出萬有引力常數(shù)。 在一個更大的宇宙結(jié)構(gòu)層次中，在太陽系附近區(qū)域，我們可以認為日心參考系是一個近似慣性系，這是因為太陽系繞銀河系中心的軌道運動所產(chǎn)生的慣性力可以把銀河系中心對太陽系產(chǎn)生的引力給抵消了；但太陽系繞銀河系中心的軌道運動并沒有把太陽對地球和其它行星的引力作用給抵消掉。這就是牛頓可以從太陽系中行星的運動規(guī)律總結(jié)出牛頓運動方程的物理基礎�！诓煌挠钪鎸哟谓Y(jié)構(gòu)中考慮牛頓運動方程時，可以引進不同結(jié)構(gòu)層次的近似慣性系。這就是為什么由于天文觀測技術(shù)條件的限制，當人們無法精確地觀測到太陽系中行星的軌道運動時，地心說比日心說更容易為人們所接受。只有當望遠鏡讓天文學家可以精確地觀測到太陽系中各個行星的軌道運動，日心說才有可能戰(zhàn)勝地心說。銀河系中心也可以認為是更大尺度宇宙結(jié)構(gòu)中的近似慣性系。只是目前只有專業(yè)的天文學研究人員才會關(guān)注這個問題，并且在必要時使用銀心參考系。而對非專業(yè)的大眾來說，很少有人會關(guān)心銀心參考系的存在和應用問題。 從這個意義上講，愛因斯坦的等價原理可以認為是在不同宇宙結(jié)構(gòu)層次中建立不同近似慣性參考系的理論基礎。愛因斯坦之所以否定絕對慣性系的存在，就是因為萬有引力是一個長程力，所有物體相互之間都存在萬有引力的相互作用。宇宙中沒有一個天體可以不受其它天體的萬有引力的作用，因此無法作為絕對慣性系的參考點。由于宇宙天體的分布有明星的層次成團結(jié)構(gòu)，而且同一層次各個成團結(jié)構(gòu)之間有足夠大的距離。因此某個層次成團結(jié)構(gòu)以外的天體對這個成團結(jié)構(gòu)內(nèi)天體的引力作用，正好可以用愛因斯坦的等價原理把它給抵消掉。這樣這個成團結(jié)構(gòu)可以近似地認為不受這個成團結(jié)構(gòu)以外天體的引力作用，而成團結(jié)構(gòu)可以認為近似球?qū)ΨQ分布，因而成團結(jié)構(gòu)的中心所受成團結(jié)構(gòu)內(nèi)天體的引力總和可以認為近似為0。這樣這個成團結(jié)構(gòu)的中心就可以作為這個成團結(jié)構(gòu)內(nèi)近似慣性參考系的參考點。對這個成團結(jié)構(gòu)內(nèi)天體的運動，只需考慮這個成團結(jié)構(gòu)內(nèi)各個天體之間的引力相互作用。 對GP-B實驗的‘非零結(jié)果’，梅曉春先生深信不疑；而對愛因斯坦的等價原理，梅曉春先生是疑點重重，我認為這有點本末倒置。我認為對GP-B實驗的‘非零結(jié)果’應當持有保留的態(tài)度。因為在空間彎曲效應要大得多的水星軌道區(qū)域，由廣義相對論空間彎曲產(chǎn)生的效應只能使水星軌道近日點的進動每100年才有大約43角秒的大小，而其它因素產(chǎn)生的水星軌道近日點的進動則要大得多，實際測量的結(jié)果達到每100年大約有5600角秒。由此可見一個陀螺旋轉(zhuǎn)軸的進動問題是要受到許多其它因素的影響，并不是只有空間彎曲效應才會對陀螺旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生進動效應。而且其它因素的影響要比相對論的空間彎曲產(chǎn)生的效應要大得多。因此到目前為止仍然有一些專業(yè)搞天體力學的專家認為，用水星軌道近日點的進動這樣的計算結(jié)果來證明廣義相對論的空間彎曲效應，其可信度并不是足夠高。他們認為可能還有還其它一些未被考慮的因素可以影響水星軌道近日點的進動的計算結(jié)果。GP-B實驗的‘非零結(jié)果’，是在空間彎曲效應要小得多的‘運動衛(wèi)星’中得到，這個‘非零結(jié)果’的可信度我不知道到底有多高。在‘運動衛(wèi)星’中這樣條件下進行的實驗，更加可能還有一些可以影響實驗結(jié)果的因素未被考慮到，從而導致這個所謂‘非零結(jié)果’的出現(xiàn)。 梅曉春先生在他的‘GP-B實驗結(jié)果實際上證明廣義相對論等價原理不成立’這篇文章中也提到：‘GP-B實驗結(jié)果需要另外尋找理論解釋’。雖然考慮的出發(fā)點不一樣，但我認為這樣的結(jié)論可能比較合理。在這種情況下輕易地提出‘GP-B實驗結(jié)果實際上證明廣義相對論等價原理不成立’，并把它作為博文的標題，我認為這種做法是不夠嚴謹?shù)摹? |
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