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---日全食期间的引力波实验

伍岳明 Wuyueming 1 曹明富 Caomingfu 2

（浙江杭州师范大学 杭州 310036）

摘要：“共旋引力波”假说认为绕轴自旋星球会发出引力波，对星球周围上空物质（质点）不但有与距离平方成反比的引力,且有与距离三次方成反比的引潮力和与距离一次方成反比的“共旋梯力矩”作用。通过7.22日全食期间的引力波实验间接证实“共旋引力波”假说。认为引力本质在于‘运动’。

关键词：日全食 引力波 引潮力 共旋梯力矩 引力本质

中图分类号： 文献标识码：

0、引言

关于引力的本质是什么?许多科学家致力于引力问题的研究。牛顿认为：物体之间有吸引力，是物质固有的属性，这种力为宇宙间一切物体所具有，而且这种力的传递，不需要什么介质。他发现了万有引力定律；他发明微积分，以至用微分关系式来显示这种综合的定量表述。时隔250年后的1916年，爱因斯坦提出了崭新的引力场理论。他认为牛顿所说的万有引力，根本不是什么引力，而是时空的一种属性。在这种成曲线的四维时空连续体中，根本不需引力，天体是按自己应有的弯曲的时空线路运行的。1918年爱因斯坦根据引力场理论预言有引力波存在。他认为高速运动着(加速运动)的物质会辐射引力，引力波就是这种引力的载体，就像光波是电磁力的载体一样。认为引力波的传播速度与真空中的光速相同。例如在太阳和地球之间就是靠引力波传递引力子而实现相互作用的。因此引力波存在与否，是广义相对论的又一个关键性验证。但至今科学家还未能找到引力波。

我们赞同惠更斯对引力本质的认识，认为：引力不是物体本身固有的，而是物体机械运动的结果。‘引力本质’在于物质的运动。认为“共旋引力波”产生于系统的非线性有阻尼的自激振荡，可用范•德•波耳(Van der pol)方程求解[1]；可以涵盖牛顿理论和相对论的有关公式 能对爱因斯坦提出的三大预言(水星进动、光线偏转、引力红移)进行定量计算，计算值与实测值有较好的符合。因此说“共旋引力波”理论是从物理本质上解释了爱因斯坦提出的三大预言，解释日全食时的引力异常现象。体现出‘共旋引力波’理论的探索价值。

2009年7月22‘日全食带’光临杭州，我们抓住数百年一遇的大好时机，用傅科摆进行日全食期间的引力波实验，在住宅小区高楼自制傅科摆进行实验，取得一定的成果。

1、实验目的与机理：

这次7.22‘日全食带’光临杭州，我们的傅科摆进行日全食引力波实验有四项实验目的：1、用傅科摆对日全食期间的“双低谷重力异常”现象进行验证。2、验证引力波存在‘引力屏蔽’机制。3、验证地球的科里奥利力就是真实存在的指向赤道面的“共旋梯力”。4、验证“共旋梯力矩”是否真实存在。

1 杭州师范大学 男 （1944—），浙江兰溪人 副研究员 《伍岳明个人网站》：http://sea3000.net/wuyueming

2 杭州师范大学 男 （1955—），教授 浙江海宁人，Email:mfcao@hznu.edu.cn

“共旋引力波”理论认为：日、月星球引力波的波长与星球的自转角速度有关，经计算它们的波长有m数量级的长程波。地球的直径只有m的数量级，因此在地球上是无法直接检测到日月引力波。当日全食发生时，月球遮挡住太阳的引力波，会出现‘引力屏蔽’现象。此时地球引力波对傅科摆摆锤的作用就充分显现出来，观察记录傅科摆的摆锤运动轨迹，即能间接检测到日、月及地球的引力作用。

‘共旋’引力波基础理论认为引力波传播过程中有三种表现形式[1]：

1.1、引潮力：自旋星球的引力波由星球自转轴中心向四周发出后, 对星球上空物质作用的引潮力是与物质所处的位置有关。为了能形象直观描述引潮力，我们先用图1、地球卫星受“共旋梯度力”作用示意图来描写。地球的引力波对地球上空卫星作用的引潮力（单位径向距离的力的大小）是与卫星所处的位置（如天球上的纬度、距离等）有关。

图1 地球卫星受共旋梯度力作用示意图

其引潮力公式为： (1)；

式中为引力常数、为自转星球的质量，为星球上空物质的质量，为质点到自转星球质心的距离。其单位为：。引潮力方向指向地心。

1.2、引力：按牛顿引力定律，各星球对其上空质点均有引力(单位为：)。

引力公式为： (2)

当卫星在轨道上运行过程中,其在天球上的纬度是在不断变化的。因此卫星在轨道运行过程中所受到的力也是不断变化的，卫星受到地球引力波的共旋梯度力(引潮力)为: ；因引潮力是矢量，方向指向地心。由它所产生的力也是有方向的，在矢径所在的经面的各个方向上的力是引潮力在各个方上的积分。指向地球赤道面的分引潮力会产生一个指向地球赤道面的分力,称其为指向赤道面的共旋梯力（即科里奥利力）,其值为:

;

同理：指向地球自转轴的分引潮力会产生一个指向地球自转轴的分力,称其为指向自转轴的共旋梯力,其值为: 。

指向赤道面的共旋梯力与指向星球自转轴的共旋梯力的合力为:

；即为引力。

1.3、共旋梯力矩：

‘共旋’引力波理论认为地球引力波对地球上空质点（如卫星）有一个指向地球赤道面的共旋梯力（即科里奥利力）,其值为: ;

该共旋梯力乘上力臂，会产生一个使卫星质点进动的共旋梯力矩:

；同理还有一个指向星球自转轴的共旋梯力:；该力乘上力臂，会产生一个使卫星质点逆进动的共旋梯力矩,其值为: 。它们的合共旋梯力矩为: (3)

(3)式为地球卫星受地球共旋梯力矩作用，其实自旋星球对其上空任何质点都有引力、引潮力和共旋梯力矩作用，是它们引起月球绕着地球转而不是绕太阳转(虽然太阳对月球的引力大于地球对月球的引力)；是它们引起地球上的大气环流和洋流、及其台（飓）风、地震等灾害。

2、实验装置与实验步骤：

2.1、实验装置

a、自制二个傅科摆，摆长35米，用尼龙线制成，悬挂的摆锤用5公斤铅球代替，在摆锤底部装有毛笔（见图2）。

b、20×30cm白素描纸多张，上面画有南北、东西相互垂直的参考线。

c、固定纸张平台，用1厘米厚板代替，能上下升降。

d、指南针一个。

e、小录像机一台。

图2 傅科摆摆锤（铅球）、毛笔及固定纸张平台图

f、铅笔二支。计时器二个。

g、手电筒二只

2.2、实验步骤：

a、用录像机记录摆的运动轨迹，以便反复研究和留下证据。

b、日食前后数天都记录，和日食时对比。

c、将画有南北、东西相互垂直的参考线的20×30cm白素描纸固定在固纸平台上。

d、用指南针将二个铅球下的二张白素描纸调整在同一方位。

e、把摆锤(铅球)沿参考线(1#东西、2#南北)方向拉开，然后让它们往返摆动。

f、升高固纸平台，使毛笔接触白素描纸，画下摆锤(铅球)的运动轨迹，为避免白纸上轨迹线太多，应立即降低固纸平台，并在轨迹边上记录上画出轨迹的时间。

g、从初亏开始，每隔10分钟记录一次。到了食既后就要1分钟一次。详细记录。经食甚直到生光。而后每隔10分钟记录一次。

3、实验结果整理：

3.1、自制傅科摆时，先用单根钓鱼用的尼龙线，因延展性太强(阳光下更甚)，因强度不够而断掉，后改用海钓用的多股铰接的钢丝线，因30多米长的钢丝线易打折，经受不住摆锤(铅球)重力作用而折断，最后改用双股钓鱼用的尼龙线扎在一起用作傅科摆的摆线、虽有延展、强度适当，对重力作用的灵敏度也较高。

3.2、从初亏开始，把摆锤(铅球)沿参考线(1#东西、2#南北)方向，大约距中心1．5米处拉开，然后让它们往返摆动。每隔10分钟记录一次摆锤(铅球)的运动轨迹，因初亏时天气欠好，没有及时记录。

3.3、我们加强对日全食食既后的观测和记录。食既前就已1分钟记录一次，记录时要三人一组分工合作，一人报时间；一人升降固纸平台，使毛笔接触白素描纸，画下摆锤(铅球)的运动轨迹；一人在轨迹边记录下时间。

3.4、杭州的食既时间为9﹕34﹕1.4；食甚时间为9﹕36﹕53；生光时间为9﹕39﹕35。我们在1#东西方向的傅科摆记录到食既(时间为9﹕34)后，摆锤(铅球)的摆幅明显缩小，且加速向顺时针方向运动，原先需将固纸平台升高使毛笔接触白素描纸才能画下摆锤(铅球)的运动轨迹，而随食甚的到来，逐渐固纸平台无需升高；毛笔就能接触白素描纸画下摆锤(铅球)的运动轨迹。约于9.38分摆锤(铅球)停止运动。（见白素描纸画下摆锤(铅球)运动轨迹记录）。

3.5、1#东西方向的傅科摆记录到约于9.38停止运动。（见摆锤(铅球)运动轨迹记录录像）。此时2#南北方向的傅科摆也已停止运动。（见录像和白素描纸画下摆锤(铅球)运动轨迹记录）。

3.6、约在9﹕39﹕35生光时间以后，因故没有进行实验记录，但发现已停止运动的1#傅科摆好像又恢复了小幅运动，为了保存好1#傅科摆日全食期间的实验记录，决定将升降固纸平台上的日全食期间在白素描纸画下摆锤(铅球)运动轨迹记录撤下，换上新白素描纸，据推算此时的时间约为9﹕42分。尽管小心翼翼，可能因引力波传输时间，摆锤(铅球)还处在引力屏蔽状态，故留下1#傅科摆日全食期间的实验记录（见白素描纸上打×的摆锤(铅球)运动轨迹线)。

3.7、我们在次日补充了非日食时的傅科摆实验，摆锤(铅球)均处在永不停息状态。

4、实验结果讨论：

通过日全食期间的引力波实验，以下几点值得讨论：

4.1、用傅科摆对日全食期间的“双低谷重力异常”[2]现象的实验。

因日全食的初亏时段天气欠好，没有及时记下初亏时的实验记录。用傅科摆对日全食期间的“双低谷重力异常”现象未能进行验证。只是觉得固纸平台与毛笔的距离较大，需将固纸平台升高约1厘米才能使毛笔接触白素描纸画下摆锤(铅球)的运动轨迹，这可能就是尼龙线延展、对重力作用的灵敏度高而出现的日全食期间“双低谷重力异常”现象。因缺少实验记录，因而实验目的1未能成功。

4.2、证实引力波存在引力屏蔽机制。

引力能否被遮挡，一直是科学界争论的一个话题。通过：“7．22”二个傅科摆实验，认为当日全食发生时，月亮不但将太阳光线遮住，也将其引力波遮住。认为王谦身教授“20年来一直坚持国外60年代提出的“屏蔽原理”是正确的”。

我们在1#东西方向的傅科摆记录到食既后，时间为9﹕34时，摆锤(铅球)的摆幅明显缩小，且加速向顺时针方向运动，于9.38分摆锤(铅球)停止运动。（见图3）。此时2#南北方向

图3、日全食时白素描纸画下摆锤(铅球)运动轨迹记录图(左S、右N；上W、下E)

的傅科摆同时也停止运动。即2#南北方向的傅科摆停止在白纸上方（见摆锤(铅球)运动轨迹录像记录）。发生该现象的原因是当日全食发生时，月亮不但将太阳光线遮住，也将其引力波遮住，1#东西方向、2#南北方向的傅科摆摆锤(铅球)的停止运动记录证实“屏蔽原理”是正确的。此时地球引力波对傅科摆摆锤(铅球)的重力作用就充分显现出来，使傅科摆的摆锤(铅球)停止在白纸上方不动。证实引力波存在引力屏蔽机制。

4.3、证实地球的科里奥利力就是真实存在的指向赤道面的“共旋梯力”，说明引力是指向赤道面的“共旋梯力”和指向自转轴的“共旋梯力”的合力。

图3中显示9﹕31分与9﹕34分，傅科摆摆锤(铅球)的摆动方向基本相同，即与南北向（S、N）成交角，东西向(E、W)成交角。杭州的食既时间为9﹕34﹕1.4；食既后摆锤(铅球)的摆幅明显缩小，且加速向顺时针方向运动，见白素描纸画下摆锤(铅球)运动轨迹记录。在9﹕36、9﹕37分时，傅科摆摆锤(铅球)的摆动方向向顺时针移动，于9﹕38分时傅科摆摆锤(铅球)的摆动方向与南北向（S、N）成交角，东西向(E、W)成交角。也就是在短短的4分钟左右，傅科摆摆锤(铅球)的摆动方向向顺时针移动了角。9.38分后摆锤(铅球)停止运动。说明日全食的食甚时分，当太阳引力波被月球遮挡期间，地球引力波的指向赤道面的“共旋梯力”对傅科摆摆锤(铅球)的摆动方向会加速沿顺时针方向运动。表明地球的科里奥利力就是真实存在的指向赤道面的“共旋梯力”，说明地球的引力是指向赤道面的“共旋梯力”和指向自转轴的“共旋梯力”的合力。

4.4、用傅科摆对“共旋梯力矩”是否真实存在进行验证。

我们按实验步骤2、日全食前后数天做记录，和日食时对比。日全食前后数天观察到一个现象，傅科摆摆锤(铅球)的摆动时而直线、时而转圈，总是停不下来。为什么日全食时能完全可以停下来,其他时间不能? 共旋引力波理论认为与其它星球对地球表面质点的“共旋梯力矩”有关，笔者经过计算：地球表面质点受到受到地球本身(以质心起算)共旋梯力矩为：；地球表面质点受到受到太阳的共旋梯力矩为：；可见在不考虑纬度因素，受到太阳的共旋梯力矩比地球大1个数量级。说明地球上的‘风’是其它星球对地球表面质点的“共旋梯力矩”作用之结果，其主要是受太阳星球的“共旋梯力矩”作用。地球上四季盛行东南西北风的原因就是地球围绕太阳运行轨道过程中，时而在天赤道面之上、时而在天赤道面之下、指向赤道面的“共旋梯力”和指向自转轴的“共旋梯力”在不断变化，因而对地球表面质点的共旋梯力矩也在不断变化，使地球上四季盛行不同的季风。傅科摆摆锤(铅球)的摆动总是停不下来的事实，说明傅科摆的日全食引力波实验是对“共旋梯力矩”是否真实存在的验证。

5、‘共旋引力波’假说的大自然实验室验证。

通过7.22日全食期间的引力波实验，我们认为引力本质在于‘运动’，认为世界是物质的，物质是运动的。运动物体的能量具有自我复制功能，可用范•德•波耳(Van der pol)方程求解。物体的惯性、星球的引力能与电磁能均来之系统的非线性有阻尼自激振荡，爱氏追求的引力与电磁力的力源理论是统一的。爱氏所说的引力波是存在的。“共旋引力波”假说认为绕轴自旋星球会发出引力波，对星球周围上空物质（质点）不但有与距离平方成反比的引力,且有与距离三次方成反比的引潮力和与距离一次方成反比的“共旋梯力矩”作用。‘共旋引力波’假说能解释大自然中的深层次问题。

5.1、为什么月球绕着地球转而不是绕太阳转的问题。

‘月球绕地球的轨道运动是天体力学中最复杂的问题之一’[3]。太阳对月球的引力是地球对月球引力的二倍多,按牛顿的引力理论月球理应绕着太阳转，月球绕着地球转的原因与共旋梯度力即引潮力有关。我们运用‘共旋引力波’理论对日、月、地三球关系进行计算得下表：

表1 月球（质量：）受日、地作用（不考虑天赤纬因素）比较表： ：

星名	质量	平均距离	引潮力	引力	共旋梯力矩
太阳
地球

表1显示地球对月球的引潮力（引力梯度）要比太阳对月球的引潮力要大2个数量级。可见付星绕何主星作轨道运动的决定权在主星对付星的引力梯度。这是月球绕着地球转而不是绕太阳转的原因。表1还显示地球对月球的共旋梯力矩要比太阳对月球的共旋梯力矩小3个数量级。在一年中，月球跟随地球绕太阳运动过程中，经计算在近日点和远日点太阳对月球的共旋梯力矩，在不考虑天赤纬因素的情况下其值相差 ，该值比地球对月球的共旋梯力矩值还大大2个数量级，因此说在近日点和远日点时，是太阳对月球的共旋梯力矩使月球在椭圆轨道运行过程中变换了焦点，使月球绕地球的轨道运动变成天体力学中最复杂的问题。

5.2、为什么行星和卫星具有‘共面性、近圆性和共向性’ [3]的轨道特征。

观察太阳系的行星和卫星，不管它们的自转是顺转或逆转，它们均有‘共面性、近圆性和共向性’的轨道特征，而且都与太阳的自转方向一致。我们认为与太阳自转运动发出引力波产生的共旋梯力有关，是指向赤道面的共旋梯力使行星和卫星具有‘共面性’、是指向自转轴的共旋梯力使行星和卫星具有‘近圆性’、是太阳引力波产生的强大共旋梯力矩使行星和卫星具有‘共向性’的轨道特征。

5.3、地球科学中大气环流和洋流的动力机制问题。

在地球灾害研究中，常把灾害的原因归结为‘大气环流异常’和海洋的‘厄尔尼诺’现象，传统的基础理论还不能回答为什么会出现异常，其动力机制是什么的问题。我们用‘共旋’理论计算地球表面单位质点，受地球本身、月球、太阳（平均距离时）的引潮力、引力和共旋梯力矩（不考虑天赤纬因素）列出一张比较表，见表2。

表2 地球表面单位质点受各星球的引潮力、引力、共旋梯力矩比较表 ：

星名	质量	最近距离	引潮力	引力	共旋梯力矩
太阳
月球
地球

从表2可知产生大气环流和洋流的主因是地球本身的共旋梯力矩。地球表面质点，受到地球本身的共旋梯力矩为：；其单位为，作地球北半球，纬度从到的受地球本身的共旋梯力矩大小示意图（图4）。图中显示北

图4 地球表面质点，受到地球本身的共旋梯力矩示意图

回归线附近，即纬度共旋梯力矩达到最大值，每千克物质将受到的共旋梯力矩，在北纬共旋梯力矩达到反向最大值，如此巨大的力矩引起大气环流及推动洋流就可理解了。

表2 显示：太阳作用于地球表面单位质点的共旋梯力矩比地球本身对地表质点还要大1个数量级。地球在轨道运行过程中，地表上质点受地球和太阳的共旋梯力矩公式为： ；式中、为太阳、地球的质量；为太阳到地球的距离、为地球质心到地表的距离；为地表上质点的质量。为质点所在位的地理纬度角；为太阳的视赤纬角，由于地球在黄道面运行过程中，黄赤交角不变，故应将代入式中，并作地球北半球，纬度从到，地表单位质点受地球和太阳的共旋梯力矩作用示意图(见图5)。图中显示北回归线附近的处，共旋梯力矩之和为0值，也就是太阳的直射点在赤道处（春分点附近） 地球大气圈中质点受地球和太阳的共旋梯力矩作用会发生突变, 合共旋梯力矩会从正值变为负值。共旋梯力矩正值区域为东风带，共旋梯力矩负值区域为西风带。共旋梯力矩之和为零的地方就是副热带高压区域。

印度洋北部海域，由于受马来半岛及苏门答腊岛的阻挡，由地球本身共旋梯力矩形成的北太平洋北赤道洋流惯性力受阻。在北印度洋的洋流就要受到地球和太阳的共旋梯力矩共同作用。也就出现从10月至来年的3月-4月,亚洲大陆被强大的高压所笼罩,在北印度洋海面,盛行东北季风,孟加拉湾的海水流向西南,南绕斯里兰卡岛,与阿拉伯海流向西南的海水一道,形

图5 地球表层质点受地球和太阳的共旋梯力矩作用示意图。

成了东北季风洋流。春分之后，在夏至点附近，北印度洋的北部水体受到太阳的共旋梯力矩就要大于地球的共旋梯力矩。表现为从5月到9月,西南季风盛行,海水运动的趋势大致与冬季相反,向东或东北流动,南赤道暖流的北分支在季风作用下越过赤道,进入北印度洋,沿索马里海岸向东北流动,形成索马里寒流.尔后,海水从阿拉伯海向东绕过斯里兰卡岛西海岸南下,与南赤道暖流汇合,使其得到加强,而赤道逆流就不复存在了.于是在北印度洋,海水沿顺时针方向流动,为反气旋型的大洋环流。

图5也可用于解释‘我国杭州湾以南海岸，以岩石岸线为主，杭州湾以北海岸以泥沙沉积物为主形成的海岸，为什么纬度不同海岸的结构会有这么大的区别？’是最好不过了！北纬位以南是东风带，经常有台风；以北纬位以北是西风带，长年累月的地球和太阳的共旋梯力矩作用形成沙尘暴，使地球在演化进程中形成我国的黄土高原，也逐渐形成我国杭州湾以北海岸以泥沙沉积物为主。

5.4、宇宙物理学中的寻找‘暗能量’问题。

2003年7月23日，美国匹兹堡大学斯克兰顿博士领导的一个多国科学家小组宣布，他们借助美国“威尔金森微波各向异性探测器”的观测数据（观测宇宙微波背景辐射的微小变化），发现了暗能量存在的直接证据。探测结果显示，宇宙年龄约为137亿年，宇宙由23％的暗物质，73％的暗能量，4％的普通物质组成。宇宙中所占比例最多的东西反而是人类最迟也是最难了解的，至今仅知道它们存在着，但还不清楚它们的性质[4]。因此需要突破传统理论的框框，来寻找‘暗能量’问题。

传统的牛顿万有引力理论认为物体之间有吸引力，是物质固有的属性，不管该物质是静止与否，这种力为宇宙间一切物体所具有。而爱因斯坦提出的相对论引力公式中也没有物体间引力场作用，物体本身是静止还是运动的表述，爱氏认为牛顿所说的万有引力，……是时空的一种属性。……，天体是按自己应有的弯曲的时空线路运行的。显然他们都没有提到纬向的巨大的力矩作用。而‘共旋’假说能定性和定量提出：绕轴自旋星球会发出引力波，对星球周围上空物质（质点）不仅有与距离平方成反比的引力,而且还有与距离三次方成反比的引潮力和与距离一次方成反比的“引力矩”作用。它的基本单位与能量（功）单位基本相同，都是力与距离的乘积。因此该“引力矩”就是‘暗能量’的最佳候选者。

参考文献

[1] 伍岳明，曹明富.《共旋理论初探》上册----共旋引力波理论探索，北京：科学技术文献出版社，2005：7月出版

[2] 王谦身，杨新社，汤克云. 漠河日全食期间的重力异常. 科学通报，2001,46(12)。

[3] 胡中为，萧耐园.《天文学教程》上册，北京：高等教育出版社，2003：204-249

[4] 中国科学院高能物理研究所．《暗物质与暗能量》．http://www.ihep.cas.cn，2009-07-23

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