地球自轉能曳引時空嗎？

吳再豐

英國《自然》雜志曾刊登了一篇論文，不僅引起了物理學家的注意，還引起了許多公眾的興趣，論文的題目叫做“觀察地球自轉對周圍時空的曳引”。所謂時空是時間和空間合在一起的概念。在牛頓的物理時代，時間對我們而言，似乎是以一定的速度在流逝，而空間是孤立地存在著，空間本身不會發(fā)生伸縮。20世紀初，愛因斯坦創(chuàng)立了相對論，推翻了過去的時空觀。按照相對論的說法，時間和空間不是絕對的，而是會相對地做伸縮。另外，在具有質量的物體的周圍，時空會發(fā)生彎曲。按照相對論的解釋，導致時空發(fā)生彎曲的是“引力”，并且還預言這個效應僅對具有極大引力的黑洞等天體而言，才足明顯的。

現(xiàn)在，人們嘗試著在地球的周圍觀測這個效應。《自然》雜志上的這篇文章就是關于測量地球周圍時空彎曲的。顯然，這種觀測必須十分嚴密和精確，隨著近代科技的飛速發(fā)展才有可能驗證相對論的推論對地球這樣的天體是否正確。畢竟，地球在宇宙天體中只能算是個小家伙。如果觀測不到這個效應，從另一個角度來講，或許存在至今還未發(fā)現(xiàn)的“相對論的破綻”，需要對相對論進行修正也未可知。

時空的曳引效應

不過，與人們通常認為的引力導致空間彎曲不同，該論文談到的是另一種原因引起的時空彎曲，即“時空的曳引效應”。

那么，什么是“時空的曳引效應”呢?讓我們用下列實驗加以形象地比喻。

將一只模型船浮在裝滿水的水池中，拔去水池底部排水口的塞子，由于水流向下水道，船會被拖曳到排水口的上方水面。在一般情況下，水會以排水口為中心打漩兒。于是，船的運動軌跡不是徑直向著排水口沖去，而是一邊被漩渦拖曳著打漩兒，一邊朝著排水口的位置移去。

時空的拖曳，與這個漩渦極其相似。比如，向著地球落下的蘋果，如果按照牛頓力學，會徑直地向地球中心的方向落下。這時，即使地球在自轉運動，在牛頓力學體系下，并不會影響蘋果的下落軌跡。

但是，如果用相對論所預言的曳引時空來考慮，地球的自轉產(chǎn)生了時空的“漩渦”，落下的蘋果會被拖曳，朝著漩渦方向的時空前進。于是，蘋果不是徑直地落向地球的中心，而是一邊被拽向地球的自轉方向，一邊落向地球的中心。當然，蘋果落下時，偏離豎直方向的程度是非常微小的，以現(xiàn)在的測量技術，還無法直接觀察到蘋果落下時產(chǎn)生的微弱偏差。

早在1915年愛因斯坦發(fā)表相對論后不久，另外兩個科學家就預言，天體自轉會對周圍時空產(chǎn)生曳引效應。如果天體自轉，為什么周圍的時空會被曳引呢?它的原理就是從相對論導出的著名方程式E=mc²，用質量與能量的等價性就能夠解釋。按照相對論，在具有質量的物體周圍，時空被彎曲。而且，因為能量與質量本質上是統(tǒng)一的，能量也應該能使時空彎曲。所以，地球的質量能夠在地球周圍產(chǎn)生時空的彎曲，而地球的自轉，它的旋轉能量也會使時空被曳引，進一步造成時空彎曲。

質量大的天體，例如太陽的存在使時空彎曲的事實，通過水星的近日點移動的觀測，美國宇航局的海盜號火星探測器的驗證實驗，已經(jīng)得到了相當準確的證實。但是時空的曳引效應卻一直沒有值得信賴的證據(jù)。

用衛(wèi)星驗證時空曳引效應

那么，我們是通過什么方法利用衛(wèi)星來驗證時空的曳引效應的呢?意大利萊切大學和美國馬里蘭大學的兩位博士對美國宇航局過去發(fā)射的兩顆衛(wèi)星在軌道上的記錄數(shù)據(jù)進行了詳細分析。按他們的說法，如果地球的自轉真的能曳引周圍的時空，就應該會對時空中的衛(wèi)星的軌道產(chǎn)生影響。兩位博士的確發(fā)現(xiàn)了衛(wèi)星軌道的偏差，從而宣布，時空確實存在曳引效應。

但是，人造衛(wèi)星的軌道不但受時空曳引效應的影響，還受到其他種種原因的影響。例如，地球并不完全是球體，由于自轉的離心力而形成了略微扁平的球形。此外，地下的物質的密度和成分并不是均勻的。所以，引力的強度隨著地球表面上的位置不同而不一樣，這些都會使繞地球飛行的人造衛(wèi)星的軌道產(chǎn)生偏差。

這些偏差與相對論效應無關，卻比時空曳引而產(chǎn)生的偏差要大許多。要檢測出隱含在大的偏差中的小的偏差，可不是一件容易的事。時空的曳引給衛(wèi)星帶來的偏差是每年2米左右，而因地球扁平而產(chǎn)生的偏差是每年幾千千米。由此可知，曳引效應是多么的小。因此兩位博士盡可能正確地估計地球的扁平率和地球的引力分布，從而在軌道的偏差中，剔除非曳引效應產(chǎn)生的偏差。

但是，仍然有一些科學家懷疑兩位博士的結論。日本東京大學的一位教授認為，確定時空曳引效應引起的微弱作用，如果不能相當嚴格地去掉隱藏在其中的由地球引力分布而產(chǎn)生的影響，就不能說是有說服力的驗證。從兩位博士的論文來看，衛(wèi)星的數(shù)據(jù)的確給出了非常正確的引力分布圖，但是要證明時空曳引效應，從精確性上講還不夠。

所以，通過對衛(wèi)星軌道的變化來證明確實存在曳引效應，目前還難以令人信服。

觀測器帶來希望

為了驗證地球自轉產(chǎn)生的曳引效應，看來還需要另辟蹊徑。好在新的方法已經(jīng)找到，完全可以除去地球引力分布的干擾。

2004年4月，美國宇航局發(fā)射了引力探測器人造衛(wèi)星，準備驗證時空的曳引效應。從2004年8月開始，以美國斯坦福大學為首的研究小組利用這顆衛(wèi)星開始測量數(shù)據(jù)，但是要得出結論，還需要一段時間的數(shù)據(jù)采集和分析。

引力觀測器上有個“陀螺儀”裝置，它是一個直徑4厘米、表面做得非常光滑的球體陀螺。將這個陀螺放入盒子里，每分鐘轉5000次到10000次。表面做得光滑，是為了使陀螺儀旋轉時產(chǎn)生的摩擦力盡可能地接近于0。正常情況下，如果忽略掉旋轉時的摩擦影響，即使把盒子怎樣傾斜或搖擺，根據(jù)陀螺的性質，陀螺儀的旋轉軸總是朝著規(guī)定的方向。

但是，在通過彎曲的時空時，陀螺儀的旋轉軸會受時空的影響發(fā)生改變。通過不斷監(jiān)視搭載在繞地球周圍軌道旋轉的探測器中的陀螺儀的旋轉情況，就能測出地球周圍時空是怎樣彎曲的。由于：不用考慮地球的引力分布，只單純地檢測時空的彎曲，所以比起先前的方法，這種方法能以更高的精度進行可靠的觀測。

這個想法是上個世紀50年代末美國斯坦福大學的物理學家提出的，隨著技術的進步，這個歷時40多年的想法終于要實現(xiàn)了。這種以嚴格的精度測量相對論效應的行動，意義已經(jīng)不僅僅是證明時空的曳引效應，還可能檢驗相對論這個理論本身是否正確。

旋轉黑洞：最大的能量庫

假如時空的曳引效應確實存在，會對我們有什么影響呢?

如果理論沒有錯誤的話，時空的曳引效應雖然在地球周圍不十分明顯，但是在質量很大的天體比如黑洞周圍，則會十分明顯。黑洞是具有非常大的質量的恒星走向死亡，最終坍縮成直徑非常小的特殊天體。和太陽一樣，恒星都在進行自轉，因此當恒星變成黑洞后，人們推測它也在進行自轉運動。在旋轉著的黑洞周圍，不但會有因為質量巨大而產(chǎn)生時空的強烈彎曲，還會有因黑洞自轉而產(chǎn)生的時空曳引效應。

時空的曳引效應在越靠近中心的地方就越強。在黑洞理論中，連光都無法逃逸到外界邊緣叫做黑洞的“視界”，但是在外視界附近有一層特殊的區(qū)域，被稱為“能層”。能層區(qū)域具有一個奇特的性質，其中的某些軌道具有負的總能量，即引力束縛能超過靜止質量和動能的總和。如果利用能層區(qū)域的這個特性，從旋轉的黑洞中抽取能量，在理論上是可行的。

有的科學家就曾設想，首先把物體扔進旋轉的黑洞。物體一邊被黑洞的旋轉曳引，一邊下落，進入能層區(qū)域，把物體分裂成兩個。這時操縱物體，把分裂的一部分物體逆向旋轉，讓另一個逸出能層區(qū)域外。不可思議的是，逸出能層區(qū)域外的那部分物體將攫取黑洞的旋轉能量，輸出比扔進黑洞時更大的能量。利用這個能量差，就能夠建立起能量取之不盡的夢幻般的系統(tǒng)。

真是一個宏偉的構想!或許在遙遠的未來，人類可以用這種方法從黑洞攫取能量，在黑洞旁邊建立起無數(shù)的宇宙城市。是的，這個未來圖景完全能夠實現(xiàn)，只要時空的曳引效應真實存在。(文章代碼：0913)

責任編輯蒲暉