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引力的“磁性”是怎么回事
爱因斯坦广义相对论的重要结论之一是引力也 应有"磁"分量,两个旋转物体之间会有引力"磁"矩 的相互作用.而按牛顿引力论,两个物体的引力只决 定于二者的质量,并不与二者旋转运动方向有关。因 此,检验是否存在引力"磁"分量,乃成为区别牛顿引 力论与广义相对论的关键之一。检验的方法是利用 旋转物体,例如,在空间放置一个陀螺,按牛顿理论, 地球引力对其不产生力矩,陀螺的方向应保持不变; 但是,按广义相对论,陀螺的旋转与地球的旋转之间 有引力"磁"作用,陀螺的方向要发生进动,但两者之 间的这种作用十分微弱,如将陀螺置于6OO千米的 高空,计算表明其最大进动率为0".044/年?
2004 年4月2013发射升空的GP—B探测器绕地球南,北 极飞行的实验数据验证了该结论。在此要着重说明的是:出现在国外期刊上的 gravitomagnetism(引力磁性)和gravitomagneticfield(引 力磁场)及gravitomagneticforce(引磁力)三个名词与 我们熟知的磁场毫无共同之处.对此铭记于心,下文 中将去掉"磁"字的引号。
现任职于加拿大奥里冈大学的JanetTate女士 曾在1980年代取了拟装置在GP—B探测器上表面 镀有铌的4个石英陀螺之一进行过下列实验:让陀 螺以不同的速度旋转,测量由加速之超导陀螺产生 的场强.她发现测得的磁场强度较BCS理论预测的要强些.但由于此异常情形不影响陀螺执行GP— B的飞行任务,物理学家们在一阵激动之后,就将这 一问题搁置了起来,一放就是20个年头。
1990年代后期,以奥地利研究中心物理学家 MartinTajmar为首的实验小组和在欧洲空间局工作 的理论工作者ClovisdeMatos对此问题来了兴趣.他 们找到了德国斯图加特大学的JohnArgyris和Cor. neliuClubotariu在1997年发表的一篇文章,该文假 设产生引力的粒子——引力子(graviton)可能有质量,而不是传统的量子引力理论所认为的引力子的 质量为零。这一假设启发了deMatos和Tajmar的思 路,他们想起,常温下的光子是没有质量的,但当温 度下降到临界温度以下,物质成为超导体时,超导体 内的光子便演变成为有质量的了.他们很想知道,如 果超导体内的引力子的行为和光子一样,也获得了 质量,将发生什么样的现象呢?deMatos的计算表 明,超导体内引力子的质量越大,当该超导体旋转加 速时,引力的磁性便越强,激活了超导体内库珀对j 的运动.从而增强了超导体所产生磁场的强度.他们 发现若设引力子的质量为10一千克,则能说明Tate 女士的实验结果.尽管这一质量较之电子的质量 10-3.千克小24个数量级,但却给予了超导体一个 引磁力,该力较普通物质产生的高17个数量级. 据此,Tajmar认为可以设计一个实验来验证上述思路了。在美国空军和欧洲空间局的资助下,2005 年Tajmar小组的实验启动了:在一超导铌环的周 围,安放了数台加速度计,该环旋转时产生的引力磁 场应能拖动这些探测器.一开始实验在室温下进行, 这时铌不是超导的,加速度计也未出现异常的读数, 这是可以预见的.当他们将温度降低到铌失去电阻 成为超导体时,加速度计突然出现了读数,显示它们 感受到被一强引力磁场所拖曳.Tajm~小组清醒地 意识到这种从未见过的大引力磁场会被许多物理学 家视为异端邪说,因此,他们一次又一次地重复该实 验,寻找任何因仪器本身的问题而误导小组得出的 结论.用其他超导物质取代铌进行实验,还安置了额 外的探测器以提高实验数据的准确度,并增加了两 个激光陀螺到他们的装置上以便优化对扭转(twist) 的测量(图1).每次实验都获得满意的答案.在进行 了250次实验以后,Tajmar确认获得的结果是真实 的.看来,他们已找到了一个爱因斯坦或其他任何人 从未预期到的产生大引力磁场的途径。他们写文章投寄给PhysicaC期刊并举办讨论会报告他们的工作, 将之公诸于世。
首先对此提出质疑的是美国斯坦福大学的理论 工作者JamesOverduin.他认为,如果引力磁场的强 度高达l7个数量级,则应能感受到充斥在宇宙中的 引力磁场所产生的效应.而若引力子有质量,则它们
在宇宙内所能行进的距离是有限制的,但所有的天 文观测都暗示在宇宙内引力无处不在,这就是一个 很大的矛盾。deMatos反驳道:引力子只是在超导体 内才获有质量并增强引力磁性效应,而在宇宙中,此 效应也只在某些物质被高度压缩的中子星的内部出 现,因为一些中子星的模型认为其内部有一超导层。但Overduin还指出:"将具有质量的引力子引进物理 学,会导致出现的问题比它能解决的问题要多。一个 具有质量的引力子意味着物理学家们需要重行书写 粒子物理学的标准模型。〞rajmar同意Overduin的说 法:我们所从事的实验就不是一般的工作,曾经有理论工作者建议具有质量的引力子能说明宇宙膨胀为 何加速的问题,如确认,则将从根本上改变我们对引 力的考虑.这也将意味着超导体内产生的引力效应 与正常物质产生引力效应的方式是不一样的,从而 迫使人们要重行考虑某些引力的量子学说,因为直 到现在科学家们的共识是只是物体的总质量决定其 引力场.若rajmar小组的实验结果是
正确的
,则也 应考虑超导体内粒子的排列状态。
目前,raimar和deMatos迫切希望有另外一二 个小组重复他们的实验并确证出现异常的引力磁信 号.Taimar声称已有几个小组允诺此事,进行实验来 肯定或否定谜一样的引力磁性.但他不愿此时透露 这些小组的身份,以避免将他们置于过分的压力之 下。如果这项实验的成果被多个小组证明是正确的, 则在此基础上一些科幻技术便有可能变为现实,如, 飘浮的汽车,引力g为零的运动场地,能将物体拉向自己的牵引光束,以及充当斥力场阻止物体通过 的无玻璃的窗户.利用改变超导体的加速度和取向 而工作的引力磁性装置将成为产生多种用途之力场 的基础。
引力磁场可能有朝一日成为某些新技术的基础
注释:SimonNewcomb(1835,19o9),美国天文学家.在天体力 学,历书编算和天文基本常量的测定上都有很大贡献.还对水星近El 点的进动,从金星凌El的观测推算太阳的视差以及月球的长期加速 度等问题,作了深入的研究。
参考文献:
方励之.引力物理前沿鸟瞰.物理通报,1988(8):7
许髁，对广义相对论更精确的实验检验.物理通报,2005 (3):10;GP—B实验证明广义相对论是对的.物理通报, 2oo6(4):57
章立源.超导及其应用前景.物理通报,2005(1):10
2017年11月15日 04点11分
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爱因斯坦广义相对论的重要结论之一是引力也 应有"磁"分量,两个旋转物体之间会有引力"磁"矩 的相互作用.而按牛顿引力论,两个物体的引力只决 定于二者的质量,并不与二者旋转运动方向有关。因 此,检验是否存在引力"磁"分量,乃成为区别牛顿引 力论与广义相对论的关键之一。检验的方法是利用 旋转物体,例如,在空间放置一个陀螺,按牛顿理论, 地球引力对其不产生力矩,陀螺的方向应保持不变; 但是,按广义相对论,陀螺的旋转与地球的旋转之间 有引力"磁"作用,陀螺的方向要发生进动,但两者之 间的这种作用十分微弱,如将陀螺置于6OO千米的 高空,计算表明其最大进动率为0".044/年?
2004 年4月2013发射升空的GP—B探测器绕地球南,北 极飞行的实验数据验证了该结论。在此要着重说明的是:出现在国外期刊上的 gravitomagnetism(引力磁性)和gravitomagneticfield(引 力磁场)及gravitomagneticforce(引磁力)三个名词与 我们熟知的磁场毫无共同之处.对此铭记于心,下文 中将去掉"磁"字的引号。
现任职于加拿大奥里冈大学的JanetTate女士 曾在1980年代取了拟装置在GP—B探测器上表面 镀有铌的4个石英陀螺之一进行过下列实验:让陀 螺以不同的速度旋转,测量由加速之超导陀螺产生 的场强.她发现测得的磁场强度较BCS理论预测的要强些.但由于此异常情形不影响陀螺执行GP— B的飞行任务,物理学家们在一阵激动之后,就将这 一问题搁置了起来,一放就是20个年头。
1990年代后期,以奥地利研究中心物理学家 MartinTajmar为首的实验小组和在欧洲空间局工作 的理论工作者ClovisdeMatos对此问题来了兴趣.他 们找到了德国斯图加特大学的JohnArgyris和Cor. neliuClubotariu在1997年发表的一篇文章,该文假 设产生引力的粒子——引力子(graviton)可能有质量,而不是传统的量子引力理论所认为的引力子的 质量为零。这一假设启发了deMatos和Tajmar的思 路,他们想起,常温下的光子是没有质量的,但当温 度下降到临界温度以下,物质成为超导体时,超导体 内的光子便演变成为有质量的了.他们很想知道,如 果超导体内的引力子的行为和光子一样,也获得了 质量,将发生什么样的现象呢?deMatos的计算表 明,超导体内引力子的质量越大,当该超导体旋转加 速时,引力的磁性便越强,激活了超导体内库珀对j 的运动.从而增强了超导体所产生磁场的强度.他们 发现若设引力子的质量为10一千克,则能说明Tate 女士的实验结果.尽管这一质量较之电子的质量 10-3.千克小24个数量级,但却给予了超导体一个 引磁力,该力较普通物质产生的高17个数量级. 据此,Tajmar认为可以设计一个实验来验证上述思路了。在美国空军和欧洲空间局的资助下,2005 年Tajmar小组的实验启动了:在一超导铌环的周 围,安放了数台加速度计,该环旋转时产生的引力磁 场应能拖动这些探测器.一开始实验在室温下进行, 这时铌不是超导的,加速度计也未出现异常的读数, 这是可以预见的.当他们将温度降低到铌失去电阻 成为超导体时,加速度计突然出现了读数,显示它们 感受到被一强引力磁场所拖曳.Tajm~小组清醒地 意识到这种从未见过的大引力磁场会被许多物理学 家视为异端邪说,因此,他们一次又一次地重复该实 验,寻找任何因仪器本身的问题而误导小组得出的 结论.用其他超导物质取代铌进行实验,还安置了额 外的探测器以提高实验数据的准确度,并增加了两 个激光陀螺到他们的装置上以便优化对扭转(twist) 的测量(图1).每次实验都获得满意的答案.在进行 了250次实验以后,Tajmar确认获得的结果是真实 的.看来,他们已找到了一个爱因斯坦或其他任何人 从未预期到的产生大引力磁场的途径。他们写文章投寄给PhysicaC期刊并举办讨论会报告他们的工作, 将之公诸于世。
首先对此提出质疑的是美国斯坦福大学的理论 工作者JamesOverduin.他认为,如果引力磁场的强 度高达l7个数量级,则应能感受到充斥在宇宙中的 引力磁场所产生的效应.而若引力子有质量,则它们
在宇宙内所能行进的距离是有限制的,但所有的天 文观测都暗示在宇宙内引力无处不在,这就是一个 很大的矛盾。deMatos反驳道:引力子只是在超导体 内才获有质量并增强引力磁性效应,而在宇宙中,此 效应也只在某些物质被高度压缩的中子星的内部出 现,因为一些中子星的模型认为其内部有一超导层。但Overduin还指出:"将具有质量的引力子引进物理 学,会导致出现的问题比它能解决的问题要多。一个 具有质量的引力子意味着物理学家们需要重行书写 粒子物理学的标准模型。〞rajmar同意Overduin的说 法:我们所从事的实验就不是一般的工作,曾经有理论工作者建议具有质量的引力子能说明宇宙膨胀为 何加速的问题,如确认,则将从根本上改变我们对引 力的考虑.这也将意味着超导体内产生的引力效应 与正常物质产生引力效应的方式是不一样的,从而 迫使人们要重行考虑某些引力的量子学说,因为直 到现在科学家们的共识是只是物体的总质量决定其 引力场.若rajmar小组的实验结果是
正确的
,则也 应考虑超导体内粒子的排列状态。
目前,raimar和deMatos迫切希望有另外一二 个小组重复他们的实验并确证出现异常的引力磁信 号.Taimar声称已有几个小组允诺此事,进行实验来 肯定或否定谜一样的引力磁性.但他不愿此时透露 这些小组的身份,以避免将他们置于过分的压力之 下。如果这项实验的成果被多个小组证明是正确的, 则在此基础上一些科幻技术便有可能变为现实,如, 飘浮的汽车,引力g为零的运动场地,能将物体拉向自己的牵引光束,以及充当斥力场阻止物体通过 的无玻璃的窗户.利用改变超导体的加速度和取向 而工作的引力磁性装置将成为产生多种用途之力场 的基础。
引力磁场可能有朝一日成为某些新技术的基础
注释:SimonNewcomb(1835,19o9),美国天文学家.在天体力 学,历书编算和天文基本常量的测定上都有很大贡献.还对水星近El 点的进动,从金星凌El的观测推算太阳的视差以及月球的长期加速 度等问题,作了深入的研究。
参考文献:
方励之.引力物理前沿鸟瞰.物理通报,1988(8):7
许髁，对广义相对论更精确的实验检验.物理通报,2005 (3):10;GP—B实验证明广义相对论是对的.物理通报, 2oo6(4):57
章立源.超导及其应用前景.物理通报,2005(1):10