引力在减弱吗?

引力在减弱吗?

根据引力理论预言,由于宇宙膨胀,物质在远离,它的局部影响在减小,因而引力常数随时间变小,变化率接近于观察到的宇宙膨胀速率(5.6±0.7)×10-11年。

要检测这样小的变化是十分困难的,但物理学家们还是不畏艰难,他们设计了各种实验,其中之一的测量方法是月掩星法,用来观测引力常数的变化。其原理很简单,在月球每月绕地球公转的过程中它从无数的恒星面前经过,由于月球上没有大气,恒星又很遥远,基本上可以把恒星看作点光源,所以在肉眼看来,恒星在月球前沿消失和在月球后沿再现似乎是同时发生的。如果引力强度变弱,那么月球将极缓慢地离开地球,其轨道将变大,轨道周期(即绕地球一周所用的时间)将变长。如果引力常数不变化,则根据月球运动理论,可以非常精确地预言掩盖某恒星拍时刻;如果引力常数在变小,那么将会出现这样的效应:实际观测掩星时刻应晚于上述理论预言的时刻。

实验时要用时间分辨率极高的光电光度计来监测,星光在千分之几秒的时间内从最大强度跌到零值附近,而时间的精确测定不能用历书时或天文时,因为地球绕太阳的公转,由于引力强度在减弱,其公转周期与月球绕地球周期一样,也在变长,且其增量恰与月球轨道周期的增长成比例,结果这两个周期的比值总是一样,所以无法测出引力常数的变化。

好在自1955年起开始使用与天体运动无关的时间单位,这就是基于铯原子的极有规则的振动——原子时,这样一来,依据原子钟测定的时间,对月球运动进行观察,引力常数的变化所引起的月球轨道周期的改变,就可以被揭示出来。

用月掩星法测量发现月球周期的确在增长,由各种原因所引起的变化率为(22.2±3.5)×10-11/年,减去由于潮汐摩擦引起的周期变化,差值就是引力常数减小速率的估计值,其值大致为(7.2±3.7)×10-11/年。这与宇宙膨胀的速率吻合得相当好。

另外还可用激光测距方法来验证。激光脉冲由地球上的望远镜向阿波罗宇航员安置在月球上的后向反射器发射,再用同一架望远镜检测它反射回来的脉冲。光往返一次的时间就是月球—地球距离的直接量度。该实验既能测量月球轨道周期的变化,又能直接测量月球轨道的膨胀。由此可以判断引力常数究竟如何变化。按计算月球与地球之间的距离每年增长约2厘米,这个距离是在月—地激光测距技术精度之内,但由于地球与月球间存在潮汐的作用,每天至少出现36厘米的变化,尽管考虑这点,但测量精度仍低于2厘米。为此有人建议建立地球—火星激光测距系统,在火星上安放一只激光应答器,它能放大地球发出的激光脉冲讯号,然后发回地球。根据狄拉克估计,火星与地球距离每年要增大460厘米,这比地球潮汐造成的误差要大一个数量级,这样就可以验证引力常数是否变小了。

显然,关于引力我们还有许多东西要探索,虽然在广义相对论中,我们似乎对弱引力场有了适宜的描述,但对强引力场的描述是否精确还有疑问。况且,关于引力下面这样的一些基本问题尚无任何可靠的答案:首先,为什么质量要互相吸引?引力能否被屏蔽?负引力存在吗?在可预见的将来,有关引力场的观察、实验和理论工作仍将是物理学和天文学中最引人入胜、充满争论和富有成果的领域。在目前要断定引力常数的减小还为时过早,但迄今的测量结果都有利于这一结论,一旦这一点成为定论,为物理学界所接受,那么它将有力地佐证了40年前狄拉克提出的“大数假说”。