關于地球引力場方向零改變的思考

郁 犁 孫澤信

(1.南京地鐵建設有限責任公司 江蘇南京 210000；2.江蘇省地質工程勘測院 江蘇南京 210000)

一、關于地球引力場方向的思考

引力（場）從牛頓萬有引力定律到愛因斯坦廣義相對論（還有其他引力理論）經歷了實踐、認識和思想上的系列改變，但其表現性質似乎可以從地球表面引力大小分布和方向變化做簡單討論。從分布看，大量和長期測量數據似乎表明其恒定不變的性質（不考慮更高階引力攝動似乎和地球運動無關）；從方向看，是指向其相對靜止質心還是其相對微波背景輻射參照系的瞬時質心便成為判斷引力場分布性質的關鍵[1]。

和愛因斯坦廣義相對論相比，牛頓萬有引力定律只是靜態引力場的近似規律。但從牛頓萬有引力定律和靜電、磁場的平方反比規律看，符合高斯定理的作用力結論均從相對靜止的參照系得出但不影響前者在運動過程的分析運用，對電磁力似乎要區分靜止和運動。

撇開絕對靜止參照系的無謂爭論，現代宇宙學肯定了彌漫全宇宙的微波背景輻射的存在，因此，以背景輻射為基準的絕對運動就有了客觀意義。我們已跨越伽利略時代近四個世紀，不存在物理準則來區分參照系的運動和靜止的推斷已不復成立。從宇宙學事實看，甄別動或靜的物理準則是存在的，在任一（局域）參照系中都能觀測宇宙背景輻射，若發現某參照系中沒有背景輻射的溫度各向異性，該參照系是絕對靜止的；如發現背景輻射的各向特別是偶極異性，就能確定該系的絕對運動。從1978年起地球對微波背景輻射偶極異性的觀測特別是1996年COBE觀測結果表明，地球在宇宙中的絕對速度為369±1km/s，其方向為赤經11.3±0.1h、赤緯4°±2°。該速度比地球繞日公轉速度高出一個數量級、比其自轉地表線速度高出三個數量級。因此，可忽略地球自轉和公轉的合成速度影響，可以用最簡單的方法（垂球晝夜指向變化）觀測地球引力場方向的變化情況[2][3][4][5]。

二、實驗和結果

地球絕對運動基本在其赤道面2°范圍內，其速度是光速的1/1000量級，如引力指向其瞬時質心，則2m垂線有4mm晝夜擺幅，其方向在赤經11.3±0.1h。

在地球南、北極附近，指向其瞬時質心的引力方向由于地球自轉呈圓錐擺變化；在赤道附近呈單擺變化；在緯度由低向高變化過程中呈長軸不變短軸不斷增大的橢圓擺方式變化[6]。

太陽和月亮的引潮力是距離的-3次冪。分析如下：

即便是朔望月時，太陽和月亮引潮力疊加也只有地球引力的8.25*10-8量級，在赤道面上對引力方向的改變作用是上述地球瞬時質心后移量的10-5量級，不影響觀測。

（一）實驗方法

首先將長度約220厘米的細絲懸掛于上方固定處，下端掛一重錘球，并置于油桶中，使之穩定。在相互垂直的方向上安置用于測量細絲的標尺，每個方向兩根標尺，分別置于與頂端距離1米處和2米處，為不影響細絲的運動，標尺與細絲的水平距離在5mm，然后設定起始時間，觀測細絲在上、下垂直標尺處的讀數，每次進行3次讀數。如圖X-X所示。

圖X-X 實驗裝置示意圖

（二）實驗結果

設定起始讀數時間為當日8時，分別讀取X和Y方向上的X1、X2、Y1、Y2讀數，每個標尺每次進行3次讀數，讀數周期為6小時一次，連續觀測三天，實驗數據詳見表1和表2。

表1 X方向標尺讀數記錄表

表2 Y方向標尺讀數記錄表

（三）實驗結論

1.通過對X方向上的觀測，可以看出在標尺X1、X2處的讀數最大值與最小值的讀數差均在0.6mm以內，且X1處的讀數變化X2處的讀數變化規律相同；

2.通過對Y方向上的觀測，可以看出在標尺Y1、Y2處的讀數最大值與最小值的讀數差均在0.7mm以內，且Y1處的讀數變化Y2處的讀數變化規律相同；

3.通過實測結果與試驗預測結果比較分析，可以看出試驗結果并未在1m處出現2mm的擺幅，2米處出現4mm的擺幅，兩處數據變化規律相同，可以認為該試驗數據的變化值為人工讀數引起誤差，細絲本身并未在X或Y方向上未產生位移。

三、思考和結語

綜上所述，地球引力場方向始終指向其自身質心，（似乎）和地球一道進行同樣的平動和轉動。

1687年牛頓站在開普勒和伽利略等巨人的肩上提出了第一個完整的引力定律（在相對靜止系中研究發現同樣成功運用于動系）。如上圖，質點m受mi引力合力為：

對連續分布質元為如下積分形式：

對上圖相對靜止的極矢系，引力（場）只和質元及其位矢有關，簡言之，物質質量的歐幾里德幾何分布決定了引力場的分布。本文實驗零結果表明：（絕對）運動不改變引力場的分布。

再考察本文開頭談到的靜電場情況。

上圖左圖在靜系中剛體兩端分別有異性電荷，其產生靜電場；右圖在動系中同樣的剛體由于電動力產生力矩則剛體轉動。設想左圖靜止在地球上，則靜電場的情況和引力場一樣（符合平方反比定律并符合高斯定理）并且僅有靜電場存在；但地球是運動的，則剛體必然轉動，而事實上剛體不動。可見，電荷的歐幾里德幾何分布決定其靜電場的分布，運動不改變其分布。靜電場反映的是電荷的凈（效應）性質。相信，靜電場的分布也同樣不受其運動影響，這可從靜電場平方反比定律實驗檢驗得到證實[7]。