中國科學家測定引力傳播速度、完善牛頓引力定律的發現之路（圖）

池順良

序：

12月26日下午，“引力場以光速傳播的觀測證據”新聞發布會在京舉行。中國科學家在發布會上宣布，獲得了“引力場以光速傳播的第一個觀測證據”。英文版論文已在《科學通報》合作夥伴德國Springr出版社網上發表。http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11434-012-5603-3

科學新聞發布會後，中新社報道：中新社北京12月26日電 (記者 孫自法)經過10多年的持續探索，中國科學家在世界上成功獲得“引力場以光速傳播”的第一個觀測證據。這項原始創新成果，實現了物理學界多年來對通過實驗或觀測獲得引力場傳播速度的期待，對引力場的理論和實驗研究具有重要意義。

其它媒體也紛紛報道。

報道內容引起廣大網友強烈反響。由於新聞報道內容比較簡單，讀者不能獲得更詳細的信息，網友對這項發現的可靠性、科學意義、實用價值等不很了解，提出諸多疑問、問題，以及對這項研究的希望、鼓勵和期盼。

如：鳳凰網安徽省合肥市網友：手機用戶 地球物理的方法做基本物理研究準確性有待證實，個人覺得不老實。
鳳凰網北京市豐台區網友：手機用戶 不明白 對百姓生活有什麽作用呢
鳳凰網山西省忻州市網友：手機用戶 誤差是不是有點大呢！還有引力速度測了有什麽用
鳳凰網浙江省杭州市網友：手機用戶 了不起！
鳳凰網湖北省襄樊市網友：手機用戶 頓感欣慰
鳳凰網江蘇省常州市網友：手機用戶 總算看到我國科學家整出點實用的研究
鳳凰網安徽省合肥市網友：手機用戶 十年磨一劍。好！
鳳凰網北美地區網友：手機用戶 諾貝爾獎了
鳳凰網重慶市網友：手機用戶 下次可拿諾貝爾獎了。
鳳凰網上海市閔行區網友：手機用戶 實驗結果證實的話可能有諾貝爾了

作為這項工作的參與者之一，我寫了一篇稍為詳細的介紹，回答網友們的質疑。

中國科學家測定引力傳播速度

完善牛頓引力定律的發現之路

序言：

本文介紹中國科學家在探索引力理論基礎研究中的創新之路。從介紹中不難看到，這一創新和發現走過的道路歧嶇曲折，非事先可以預見，所謂可遇而不可求。但實驗觀測能力和創新的思維確是不可或缺的；研究探索者必須對現有理論的成就與缺陷有一定認識，不盲目迷信流行的主流理論。

這項基礎領域的研究和發現曆時十五載，目前已得到國內主流物理界的關注和支持，特此將發現過程介紹給關心我國基礎科學發展的人們。

（一) 牛頓萬有引力定律的輝煌與憾缺

在托勒密，哥白尼，第穀，開普勒對太陽係星體運動精密觀測的基礎上，牛頓總結出了萬有引力定律，並據此給出了開普勒行星運動三定律的精妙證明。

萬有引力定律是17世紀自然科學最偉大的成果。它第一次解釋了一種基本相互作用的規律，把地麵上物體運動和天體運動的規律統一了起來。哈雷彗星、海王星、冥王星的發現，都是應用萬有引力定律取得重大成就的例子。牛頓還解釋了月亮和太陽的萬有引力引起的潮汐現象。現在，天文學、天體力學研究，人造衛星、宇宙飛船都離不開萬有引力定律。

但牛頓萬有引力定律並非圓滿無缺。

牛頓萬有引力公式不包含時間，物體間引力作用不需要時間瞬間完成。牛頓無法解釋這種瞬間超距作用，故他從來沒有在他的文字中“賦予產生這種能力的原因”，也拒絕對引力產生的起因提出假設。

進一步深入了解引力，就要對引力現象作更細致的實驗和觀測。

牛頓之後三百餘年，物理學家一直沒有測得引力作用傳播速度的數據。牛頓認為引力是瞬時作用的，愛因斯坦設想它以光速傳播，至今物理學家們對引力相互作用的傳播或聯絡速度究竟是無窮大（瞬間完成）還是有限速度（如光速）尚無一致看法。物理學家在想盡辦法測量引力速度。

2002年9月，美國理論物理學家謝爾蓋·科佩金（Sergei Kopeikin）和射電天文學家艾德·弗馬龍（Ed Fomalont）利用木星掩食射電類星體 J0842+1835 的機會，用美國和歐洲的射電望遠鏡陣觀測了該類星體位置的變化，宣稱測得引力場以光速傳播的結果（誤差20％）。後來，國際主流物理學界認為，科佩金/弗馬龍測到的不是引力場速度，而是射電波的速度，他們的觀測結果未獲承認。

同意引力瞬間傳播的物理學家也不在少數。

2009年10月28日,在第一屆伽利略—徐光啟國際會議上，中科院地質與地球物理研究所湯克雲研究員根據2009年7月長江日全食觀測結果，宣稱可能獲得了引力場以光速傳播的證據。意大利引力波探測站總工程師Adalberto Giazotto教授立即明確表示，不認為超距引力公式有問題；日本引力波探測項目科學家、日本理工學院淺野捷昭教授則更明確表示，引力場是一種靜場,其波長為無窮大，太陽引力可以瞬間傳播到地球，不需要時間，超距作用是正確的。

到底哪種看法正確？隻有靠精確的實驗觀測來判定真偽了。

引力理論的發展離不開對引力作用傳播速度等引力基本特性的實驗確證。對大自然基本參數之一的物體間引力作用的傳播或聯絡速度的測量無疑是一個亟待解決的重大科學問題。

（二） 中國科學家發現引力以光速傳播得益於學科的交叉與交流

科學發展到今天，許多重大發現來自不同學科的交叉與交流。例如，宇宙微波背景輻射的發現就來自微波通訊技術與宇宙學的結合。引力以光速傳播的發現則源於地球物理中的精密重力觀測技術與天體物理及引力物理的結合。

地球上物體受到的重力主要由三部分組成：地球對物體的引力、地球自轉產生的慣性離心力和日月其它天體對該物體的引力。地球表麵重力加速度約980伽，太陽引潮力引起的重力固體潮的幅度，隻占全部重力值的千萬分之一。但高精密的重力儀已能清晰地記錄下因日、地相對位置變化而產生的重力固體潮。地球科學家用重力固體潮數據研究地球的結構和物性。重力學根據牛頓萬有引力定律已能預測和計算地球上任意地點和任意時段的理論重力固體潮並與實測重力固體潮數據相當吻合。

既然精密重力儀已經能夠在地球平台上觀測到日、月引力及其變化，科學家就有可能利用重力儀來測量引力傳播速度。

這項工作在等待既關注引力傳播速度問題，又熟悉地球重力觀測理論和技術的物理學家來實施了。

引力傳播速度問題和地球物理學中的重力觀測卻分屬不同的學科，很少有將這兩門學科交叉在一起的機會。觀測日全食時重力儀記錄的異常反映這項研究為兩個學科的交叉牽了線搭了橋。

1980年雲南日全食，中科院地球物理研究所長期從事重力學研究的王謙身研究員帶隊，用重力儀在現場觀測日全食過程中重力的變化，探索月球擋住太陽時重力是否出現偏離正常理論值的變化。

之後，中科院組織了多次日全食科學觀測隊，先後由王謙身、湯克雲帶隊作日全食過程中的精密重力變化觀測實驗。

為在日全食現場精確地記錄下盡可能完整的數據，觀測隊對觀測設備作了多次改造。早期觀測采用人工目視或照相讀取數據，之後逐步改進，采用計算機控製下的數據自動采集。在非洲日全食觀測中，重力儀配置了地應變觀測中采樣率達到每秒100次的數據自動采集係統，實現了重力儀觀測數據高密度自動采集。

有兩次觀測曲線上出現凹兜狀異常，似乎表明在日全食過程中太陽引力被月球部分屏蔽。為辨明這一異常現象的真偽，湯克雲精心規劃了2009年7月長江流域日全食觀測方案，得到了中國地震局有關單位的大力支持。在日全食帶上選擇了三個本底幹擾小的基岩山洞，布設了8台重力儀和2台傅科擺進行觀測。這次實驗進展順利，獲取的數據完整。數據分析顯示，以前曾記錄到的凹兜狀異常在本次8台重力儀上都沒有出現，曾經觀測到凹兜狀異常的實驗，應是重力儀沒有布置在堅硬基岩地層上，環境幹擾所致。觀測數據證實，即使在太陽被月球擋住的情況下依據牛頓萬有引力定律計算的重力固體潮理論值和觀測值也是十分一致的。

在分析長江流域日全食數據時，湯克雲開始關注固體潮實測曲線與根據萬有引力定律計算的固體潮理論曲線間相位差異（或時間滯後）的研究。引力是瞬間傳播還是以某種速度如光速傳播，這兩種情形在計算理論固體潮時日，月，地三者位置就有所不同，計算出的‘瞬間傳播理論曲線’、‘光速傳播理論曲線’相位不同。用重力儀的實際觀測曲線與這兩種情況的理論曲線相比對，何種理論值更接近實際資料便能判斷引力的傳播速度。

這一思考終於使湯克雲找到了測量引力場傳播速度的原理和方法，這就是將太陽起潮力理論模型曲線與從重力潮觀測值中扣除了月潮的太陽潮觀測曲線比較，由兩者的相位差來求出引力場的速度。經進一步的研究和數據分析,中國科學家第一個獲得了引力作用以光速傳播的測量結果（誤差5％）。

圖1.是西藏獅泉河台2009年8月21日重力固體潮的觀測曲線、光速傳播模型的日月位置（簡稱視位置）計算的理論固體潮曲線、瞬間傳播模型的日月位置（簡稱真位置）計算的理論固體潮曲線。從圖1看，三條曲線雖然重疊在一起，但在局部放大圖中可看出三條曲線並不完全重合，相位存在差異。



圖1. 西藏獅泉河台重力固體潮觀測值、光速模型（視位置）理論值、瞬間模型（真位置）理論值的比較。

（圖2）是（圖1）中小方框的放大圖。固體潮觀測曲線與光速傳播模型（視位置）理論固體潮曲線符合得較好，兩曲線的同相位時間差約40秒。考慮到粘彈性地球形變的附加引力使起潮力的平均響應延遲約0.20，〔1〕 相當於約40秒而加以扣除，則光速傳播模型與固體潮觀測曲線符合得更好；而瞬間作用模型（真位置理論曲線）與觀測曲線的同相位點時間差在130秒量級，兩者符合得很差。這就初步否定了瞬間作用理論的合理性！



圖2. 圖1.的局部放大圖

光線從太陽到地球約需500秒，從月球到地球需1.3秒。重力儀的采樣間隔為1秒，測定時間的誤差在1秒量級，測定太陽引力的傳播速度會比較準確。固體潮觀測曲線由日潮和月潮兩部分疊加構成，由總觀測曲線中扣去月潮理論值可得到包含了全部觀測噪聲的準日潮觀測曲線。圖3是準日潮觀測曲線、日潮視位置理論曲線、日潮真位置理論曲線位相比較圖。（圖4）是（圖3）中小方框的放大圖。



圖3. 準日潮觀測曲線、日潮視位置理論曲線、日潮真位置理論曲線位相比較



圖4. 圖3. 的局部放大圖

從圖4我們得到：光從太陽傳播到地球需時508秒，日潮觀測值與視位置理論值的上、下偏差39.8秒和47.9秒三個數據，但和真位置理論值的偏差達500秒之多。

湯克雲導出了根據這些數據計算引力傳播速度的公式。

根據獅泉河和烏什兩個台站3天6組觀測數據，得到引力相互作用以光速傳播，誤差不超過±5％的實測結果。

這項工作使用我國西部地區多台精密重力儀觀測數據，數據量充分，觀測數據的信噪比高，計算傳播速度的公式概念明確，所得結論是十分可靠的。

至此，中國科學家利用安置在地球觀測平台上多台精密重力儀的重力固體潮觀測數據，測得了引力作用以光速傳播的結果，困擾物理學三百多年的引力速度之謎終於被破解了。

引力傳播速度的測定，其科學意義不亞於人類第一次測定出光速！

知道引力以光速傳播，我們就能賦予牛頓引力理論以新生命力！

（三） 新引力定律提供了不同於彎曲時空描述的新視角。

引力以光速傳播的測量結果表明，引力瞬間傳播的牛頓萬有引力定律需要修正，補充和完善。按照這個思路，湯克雲引入推遲引力修正牛頓引力公式，避免了“超距作用”和“不滿足洛倫茲協變” 兩大缺陷。又用新引力公式計算水星近日點進動、光頻引力紅移、光線引力偏折以及雷達回波延遲的數值，與觀測結果符合得極好，也與愛因斯坦廣義相對論宣稱的結果相同。

2011年8月15日，湯克雲在《2011年中國物理學會引力與相對論天體物理年會》上，作了題為“用推遲引力求解水星近日點的進動”的報告。

重慶大學李芳昱教授認為：“水星近日點的進動是一個十分重要的基本問題，曾經十分困難而複雜，到目前為止，隻有愛因斯坦廣義相對論成功地解決了這一問題。湯教授的思路獨特、方法簡單，得到了與愛因斯坦廣義相對論完全相同的結果，出乎意料。這說明，解決複雜問題不一定非要複雜的方法，相反，方法愈簡單愈好。”

2012年2月23日，由中國科學院國家天文台，紫金山天文台，上海天文台，雲南天文台，理論物理所，高能物理所，中國天文學會，中國天文學會高能物理分會，中國物理學會引力與相對論分會和南京大學聯合主辦的天體物理與相關前沿問題研討會在南京舉行。湯克雲應邀作專題報告。

會議主席、高能物理所研究員、清華大學天體物理中心主任李惕培院士在作了題為《宇宙學觀測與物理學的困惑》的報告後指出，宇宙學的觀測數據，如宇宙背景輻射，與彎曲時空不符；當今物理學界過度關注數學和幾何，對物理層麵的關注不夠；我認為, 一個引力理論的平直程度是這個理論成熟程度的標誌。……湯克雲和他的團隊發現了引力場以光速傳播的證據；他用推遲引力順利求解了水星進動，光線偏折和引力紅移。為引力理論研究開辟了一條新路。

作為一階近似，牛頓引力在太陽係中通過了所有的檢驗，成為檢驗所有其它引力理論的第一塊最重要的基石；在二階近似的意義下，推遲引力與廣義相對論同樣通過了水星進動的檢驗，都是對引力或時空的某種合理描述。但推遲引力比廣義相對論容易求解，更容易施用於實際問題。

隨著精密空間大地測量技術的發展，用一階近似牛頓引力計算衛星星座時空坐標後還需作相對論二階修正。湯克雲的推遲引力公式也許能夠無須二階修正直接給出星座坐標，如能實現，我國的北鬥係統就能用上自己的星座時空坐標計算係統。

愛因斯坦用時空彎曲的引力理論解釋了水星近日點進動等牛頓理論無法解釋的現象，被譽為二十世紀偉大的理論成就。

湯克雲則在實測引力傳播速度基礎上，在閔柯夫斯基平直時空中，用他修正的牛頓引力理論同樣解釋了水星近日點進動等高階效應，給人類認識宇宙提供了不同於彎曲時空描述的新視角――無論是彎曲時空或平直時空，隻要能解決水星進動檢驗，都是正確的方法，但都隻是正確的數學方法，而不能由此斷言：“我們的物理時空是彎曲的或平坦的”。 鑒於平坦時空與人們的經驗更接近，人們更願意相信，我們的物理時空更接近平坦時空。

牛頓之後，三百多年過去了，引力仍然是四種基本相互作用中，物理學家了解得最膚淺的，原因就在引力實驗的缺乏，理論就無法前進。在測定引力傳播速度後，物理理論家構建更完善的引力理論就有了更多合理的約束。

我國科學家在國際上首次測得引力傳播速度，在觀測事實基礎上修正牛頓經典萬有引力定律，得出在平直時空中滿足洛倫茲協變要求的“推遲引力理論”，是中國科學在經濟、科學、文化大發展背景下，基礎研究從跟蹤模仿向自主原創、引領發展轉型取得的重大成果。

參考文獻：

[1] Melchior, P., The tides of planet Earth, Pergamon Press, 1978.


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