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twxz

木虫 (正式写手)

[交流] 引力探测器Ｂ实验（GP-B实验） 已有2人参与

“引力探测器Ｂ”实验（GP-B实验）分析
美国斯坦福大学与美国国家航空航天局合作的“引力探测器Ｂ”实验（GP-B实验）结果在2011年5月5日正式公布。实验者声称已经证实了爱因斯坦广义相对论中预言的 “短程线效应”和“惯性系拖曳效应”。对这个GP-B实验，梅晓春先生有一篇文章对它进行讨论，题目是‘GP-B实验结果实际上证明广义相对论等价原理不成立’。对梅晓春先生在这篇文章中的观点，我有不同的看法。我认为梅晓春先生有的观点是错误的，有的提法则不过严谨。在文章的开头，梅晓春先生首先说明：‘下文引用的陀螺进动公式的推导来自S.温伯格的《引力论和宇宙论》一书。在平直时空参考系，或在引力场中自由降落的局部惯性系中，球形陀螺绕其质心转动不受力矩作用，……’。可是后来梅晓春先生又提到：‘显然以上所有的计算都是相对地球质量中心静止参考系进行的。……。为了对它的正确性进行检验，我们必须在地球质心静止参考系上进行观察。然而GP-B实验的观测却是在运动卫星参考系上进行的。……’。
在这里梅晓春先生认为,‘在引力场中自由降落的局部惯性参考系’是可以看成‘平直时空参考系’，而‘运动卫星参考系’则不能看成是‘平直时空参考系’。我认为这个观点是错误的。在‘引力场中自由降落的局部惯性系’中，因为引力场被‘自由降落的加速度’所抵消；但是在‘运动卫星参考系’中地球的引力场，也被卫星绕地球的轨道运动所产生的‘向心加速度’所抵消，为什么‘运动卫星参考系’就不能被看成是‘平直时空参考系’？卫星中的宇航员和自由降落电梯中的乘客一样都处于失重状态，他们同样都感受不到地球引力场的存在。
在讨论对GP-B实验结果的解释时，梅晓春先生把‘引力场中局部惯性系的有效范围很小’的这个近似条件认为是‘爱因斯坦的等价原理就这么脆弱’的表现。从而认为：‘GP-B实验在卫星参考系上观察到陀螺的进动，只能证明爱因斯坦广义相对论的等效原理失效。它说明在引力场中自由降落的卫星参考系上，引力场并没有被局部地消除，GP-B实验结果需要另外寻找理论解释’。 我认为这个说法有些是错误的，有些是不严谨的。
我认为爱因斯坦的等价原理是正确的。‘引力场中局部惯性系的有效范围很小’是一个相对的概念。‘有效范围很小’只是表示等价原理成立的范围不能无限制的扩大。在地球附近的区域，我们之所以可以认为地心参考系是一个近似惯性系，就是因为‘地球和它附近的物体组成的系统’在做绕太阳的轨道运动时，惯性力可以把太阳对‘这个系统所处的局部区域内的物体’产生的引力给抵消掉。但是地球对它附近物体的引力并没有被‘这个系统’绕太阳转的轨道运动产生的惯性力所抵消。在地球附近的区域，在应用牛顿动力学方程解决动力学问题时，我们可以不考虑太阳对运动物体的引力影响，但需要考虑地球对运动物体的引力作用。爱因斯坦的等价原理并不是说在自由降落的局部惯性系内，所有物体之间的引力作用都被‘自由降落运动’所产生的惯性力完全给抵消了。如果在自由降落的电梯中，有一个可以可以测量出万有引力常数用的‘卡文迪许扭秤’，虽然这个扭秤中的大铁球感受不到地球对它们产生的引力的存在，但各个大铁球之间仍然可以感受到其它大铁球对自己的引力，从而可以测量出万有引力常数。
在一个更大的宇宙结构层次中，在太阳系附近区域，我们可以认为日心参考系是一个近似惯性系，这是因为太阳系绕银河系中心的轨道运动所产生的惯性力可以把银河系中心对太阳系产生的引力给抵消了；但太阳系绕银河系中心的轨道运动并没有把太阳对地球和其它行星的引力作用给抵消掉。这就是牛顿可以从太阳系中行星的运动规律总结出牛顿运动方程的物理基础。……在不同的宇宙层次结构中考虑牛顿运动方程时，可以引进不同结构层次的近似惯性系。这就是为什么由于天文观测技术条件的限制，当人们无法精确地观测到太阳系中行星的轨道运动时，地心说比日心说更容易为人们所接受。只有当望远镜让天文学家可以精确地观测到太阳系中各个行星的轨道运动，日心说才有可能战胜地心说。银河系中心也可以认为是更大尺度宇宙结构中的近似惯性系。只是目前只有专业的天文学研究人员才会关注这个问题，并且在必要时使用银心参考系。而对非专业的大众来说，很少有人会关心银心参考系的存在和应用问题。
从这个意义上讲，爱因斯坦的等价原理可以认为是在不同宇宙结构层次中建立不同近似惯性参考系的理论基础。爱因斯坦之所以否定绝对惯性系的存在，就是因为万有引力是一个长程力，所有物体相互之间都存在万有引力的相互作用。宇宙中没有一个天体可以不受其它天体的万有引力的作用，因此无法作为绝对惯性系的参考点。由于宇宙天体的分布有明星的层次成团结构，而且同一层次各个成团结构之间有足够大的距离。因此某个层次成团结构以外的天体对这个成团结构内天体的引力作用，正好可以用爱因斯坦的等价原理把它给抵消掉。这样这个成团结构可以近似地认为不受这个成团结构以外天体的引力作用，而成团结构可以认为近似球对称分布，因而成团结构的中心所受成团结构内天体的引力总和可以认为近似为0。这样这个成团结构的中心就可以作为这个成团结构内近似惯性参考系的参考点。对这个成团结构内天体的运动，只需考虑这个成团结构内各个天体之间的引力相互作用。
对GP-B实验的‘非零结果’，梅晓春先生深信不疑；而对爱因斯坦的等价原理，梅晓春先生是疑点重重，我认为这有点本末倒置。我认为对GP-B实验的‘非零结果’应当持有保留的态度。因为在空间弯曲效应要大得多的水星轨道区域，由广义相对论空间弯曲产生的效应只能使水星轨道近日点的进动每100年才有大约43角秒的大小，而其它因素产生的水星轨道近日点的进动则要大得多，实际测量的结果达到每100年大约有5600角秒。由此可见一个陀螺旋转轴的进动问题是要受到许多其它因素的影响，并不是只有空间弯曲效应才会对陀螺旋转轴产生进动效应。而且其它因素的影响要比相对论的空间弯曲产生的效应要大得多。因此到目前为止仍然有一些专业搞天体力学的专家认为，用水星轨道近日点的进动这样的计算结果来证明广义相对论的空间弯曲效应，其可信度并不是足够高。他们认为可能还有还其它一些未被考虑的因素可以影响水星轨道近日点的进动的计算结果。GP-B实验的‘非零结果’，是在空间弯曲效应要小得多的‘运动卫星’中得到，这个‘非零结果’的可信度我不知道到底有多高。在‘运动卫星’中这样条件下进行的实验，更加可能还有一些可以影响实验结果的因素未被考虑到，从而导致这个所谓‘非零结果’的出现。
梅晓春先生在他的‘GP-B实验结果实际上证明广义相对论等价原理不成立’这篇文章中也提到：‘GP-B实验结果需要另外寻找理论解释’。虽然考虑的出发点不一样，但我认为这样的结论可能比较合理。在这种情况下轻易地提出‘GP-B实验结果实际上证明广义相对论等价原理不成立’，并把它作为博文的标题，我认为这种做法是不够严谨的。
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1楼 2011-08-25 06:17:31
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userhung

禁虫 (文学泰斗)

木虫博士
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖
你的这篇文章没看完，不过有一点俺是相信的，那就是引力波就是电磁波的一种，不然永远也测不到引力波的！这个俺已经是证明过了的。
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2楼2011-08-25 22:16:15
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温州闲人

金虫 (正式写手)
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖
引力是通过电磁场(即也是引力场)的场物质、并以相同的光速传递的，但是，万有引力的作用机制则也许是：微观原子内部的电子等旋转运动造成的空吸力——即电磁场的静负压强作用。因此，该力不是以引力波的形式传递的。
宇宙间若真实存在“引力波”的话，对人类影响最大、也最容易测到的应该是我们居住的地球之“引力波”不是？所以userhung 的“不然永远也测不到引力波的！”观点也许是正确的。再说有谁见过波的作用是相吸效果的呢？
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3楼2011-08-25 23:41:22
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