困惑，日食時發現的詭異物理現象

七君

在過去的60多年里，一個諾獎經濟學家在日食時發現的奇怪現象，一直困擾著物理學家們，至今爭議不斷。這個現象似乎違反了經典引力理論，但是還沒人能完美地解釋這個現象，也沒有人確信這個現象究竟是否存在。

傅科擺帶來的詭異物理現象

在中學里我們學過單擺，單擺就是把重物掛在一根繩子上蕩起來就成了。拉動單擺，單擺會以固定周期晃動。但是如果我們觀察足夠長的時間，就會發現單擺的擺動面會逐漸轉動。這種轉動是地球的自轉造成的，在南半球是逆時針，在北半球是順時針。這個現象也叫進動，單擺的進動最早是法國物理學家萊昂·傅科（Leon Foucauit）在19世紀發現的，因此這種單擺也叫作傅科擺，它首次為地球自轉提供了天文學之外的證據。

???因為地球的自轉，傅科擺的擺動面會周期性地轉動

不管是今天測還是明天測，物理學家們并不認為傅科擺的進動會有什么不同，因此也沒有人每天觀察傅科擺。實際上美國國家航空航天局指出，歷史上對傅科擺的長期研究只有兩例，而這兩個實驗都是諾獎學者實施的。

第一個是在1913年獲得諾貝爾物理學獎的荷蘭人海克·卡末林·昂內斯（ HeikeKamerlingh Onnes），另一個是1988年的諾貝爾經濟學獎得主法國經濟學家莫里斯·阿萊（ Maurice Allais）。

莫里斯-阿菜

阿萊曾連續30天在巴黎的實驗室里不停地玩傅科擺，每隔14分鐘就釋放擺錘一次，同時記錄下數據，比如轉動的角度。在這30天里碰巧出現了1954年的日食，因此他觀察到了一個反常識的現象：在日食期間，單擺的擺動面居然往同調了！但是在日食之后，單擺又恢復了正常，擺動面恢復了每分鐘019度的均勻轉速。后來在1959年，阿萊在57米深的地下再次重復了實驗，得到了類似的結果。

科學家論證“引力異常現象”

這個實驗結果非常驚人，是經典的引力理論無法解釋的，因此被歸為“引力異常現象”。也因為這個觀察，1959年阿萊獲得了法國航空航天協會頒發的Galabert獎，并在同年獲得了美國引力研究基金會的榮譽。這個現象后來被稱為阿萊效應，阿萊在1988年的諾獎致辭中還鄭重其事地把它拿出來論述了一番。在他這個令人意外的發現發表后，眾多研究者嘗試復制，結果出現了截然不同的兩派。

傅科擺實物圖

比如在1970年3月美國的全日食期間，哈佛大學的物理學研究者Erwin Saxl和Mildred Allen利用扭擺得到了支持性的結果。這些研究者稱：“這個結果是無法用經典引力理論解釋的。”后來這項研究被發表在1971年的《Physical Review D》上。

在1997年3月9日我國漠河的全日食期間，英國國家物理實驗室的楊新社和中科院的同事也觀察到了奇特的引力異常，為阿萊的說辭提供了側面支持。但1954年蘇格蘭和1965年意大利的觀測卻無法支持阿萊的結論。1991年和2010年發表在《PhysicalReview D》上的兩項分別在芬蘭和阿根廷做的觀測也都宣稱沒有檢測到阿萊效應。

在眾多相互矛盾的研究面前，阿萊雖不輕易退縮，但也沒有十足的把握。1988年在諾獎致辭中阿萊表示：“在1954年6月30日的全日食期間，圓錐擺錘的振動面出現了異常。1952年和1953年的觀測無法讓我得到任何確切的結論。一些實驗儀器得到了這個效應，但是另一些儀器卻沒有，所有這些現象都是目前的主流理論很難解釋的。”

研究日食時發生的物理現象確實很困難，因為日食的時間很短，因此觀測到的現象可能是其他環境因素，比如地質活動引起的。一些人認為，阿萊的單擺可能受到了溫度、壓力、濕度等環境因素的影響，不關引力的事。

為了揭開這個困擾物理學家們45年的謎團，1999年8月11日，NASA集結了來自4大洲7個國家的觀測站，進行了一次跨國實驗。當時這個項目的領導者David Noever稱：“對阿萊原始實驗數據的解釋有二條，一是出現了系統性的錯誤，一是當地環境的效應，二是未知的效應。要排除前兩種可能性的話，我們和其他觀測者會在全球網絡中使用不同的測量工具。”

不過，這項觀測報告始終沒有發表，實驗本身也遭到了阿萊的批評，阿萊認為觀測時間太短了。更蹊蹺的是，Noever在實驗后很快離開了NASA和學術界，跑到阿拉巴馬州一家小小的技術公司入職，隨著他的離去，這次跨國觀測的數據也一同銷聲匿跡了。

在1999年跨國觀測時，NASA曾表示，研究者至少需要10年的時間才能讓這場爭論平息。果不其然，到了2009年，還有研究者在試圖重復阿萊效應。

2009年7月22日的日食期間，中科院的物理學家們在杭州、湖州、上海、武漢四處進行了實驗。不過，這次觀測沒有發現阿萊現象或任何引力異常，結果發表在2 013年的中文期刊《地球物理學報》上。

阿萊現象就像一個飄蕩在引力理論上的幽靈，許多物理學家不相信它的存在，因為對阿萊現象的解釋大都非主流。比如其中一個經常被科幻片提名的理論叫作引力屏蔽效應。引力屏蔽效應指的是，兩個物體間的重力加速度會因為第二者的存在而發生變化。

按照這種理論，當月球擋在太陽前，也就是發生日食的時候，地球上的重力加速度會降低。這就好比如果你把一頭大象墊在屁股下面當坐墊，那么地球對你的引力就降低了，你會感覺輕飄飄的如同插上了護翼。荷蘭代爾夫特理工大學的物理學研究者ChrisDuif則表示，雖然他不太相信阿萊現象的存在，但確實需要把阿萊現象上的不確定性打破，如果這個現象被證明為真，那將是物理學的一大革命。

話說同來，為什么NASA會對這個飽受爭議的現象如此感興趣呢？因為NASA曾多次遭遇引力異常。NASA發射的兩個空間探測器先驅者10號（1972年）和先驅者11號（1973年）在離開太陽系時均出現了無法解釋的加速。伽利略號探測器（1990年12月）和會合一舒梅克號太空探測衛星（1998年）也曾受到了來歷不明的加速。

先驅者10號藝術暢想

美國火箭之父韋恩赫爾·馮·布勞恩（ Wemervon Braun）聽說了阿萊的發現后感到很激動，他認為阿萊現象或許可以解釋這種莫名其妙的加速，他是站阿萊這一邊的。

不管怎么說，阿萊對自己的跨界攪渾水感到很開心，他曾說：“我在理論物理和應用物理學里的研究乍看之下和我作為經濟學家的主業相距甚遠，但事實上這些研究給我帶來了寶貴的體驗。”

（本文經授權轉載自“把科學帶回家”公眾號，有刪節）