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中国科学家曾首先观测到引力以光速传播 精选

已有 10184 次阅读 2016-2-13 21:41 |个人分类:宇宙学|系统分类:观点评述| 引力波, 引力, 固体潮

 

20世纪60年代末期,Joe Weber开始用铝金属共振棒首开用仪器测量引力波的先河,到Drever,ThorneWeiss等倡议LIGO项目得到NSF资助,分别在相距3000千米的HanfordLivingston建成臂长四公里的Michelson干涉仪用以接收极其微弱的引力波信号,并终于获得成功,用了半个世纪。这一成果打开了宇宙观测的引力波观测窗口,科学意义十分重大。

因激光反射镜隔振技术和测量臂长微调装置性能的限制,LIGO探测器的观测频域大致在60Hz10kHz。要观察小黑洞围绕大黑洞旋转等现象,就需要发展“天琴计划”这类同时具有低频探测能力的空间引力波探测项目,以探测mHz乃至μHz频域的引力波信号。

LIGO直接探测到引力波是对爱因斯坦关于引力波预言的伟大验证。爱因斯坦关于引力波的预言包含两点:第一,存在引力波;第二,引力波以光速传播。

事实是:中国科学家已率先通过观测μHz频域的引力信号证实引力以光速传播!

2012年我国空间物理和地球物理学家汤克云,经过十余年探索,从重力固体潮信号中发现引力以光速传播。

地球上的重力仪已能观测到因日地间相对运动引起的重力潮汐现象。光从太阳到地球需要8分多钟,重力仪响应稳定时间只有1秒,根据天文观测确定日地位置,有了距离和时间,传播速度自然可以求得。

根据天文观测,人们可以准确知道在任意观测时刻t的日、月视位置和它们经过视位置的时刻t*,及太阳视位置到地球上重力观测台站的距离,有了传播距离和传播时间(t-t*),就可以求得太阳引力的传播速度。

http://blog.sciencenet.cn/blog-51667-646834.html

汤克云论文的英文稿‘Observational evidences for thespeed of the gravity based on the Earth tide’由《Chinese Science Bulletin 》于2012年11月28日上线发表,2012年12月1日,由《ChineseScience Bulletin 》的德国合作伙伴Springer出版社在网上公开,http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11434-012-5603-3,印刷稿发表于2013年2月;中文稿“由固体潮发现引力以光速传播的观测证据”发表于《科学通报》2013年4月(第58卷,第10期)。http://blog.sciencenet.cn/blog-51667-646834.html

李惕碚院士和滕吉文院士向《科学通报》推荐了此文。李惕碚院士认为‘这项工作对基础科学有重要意义’,滕吉文院士认为‘这是中国科学家对世界基础科学的重大贡献’。

http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11434-012-5603-3

英国伯明翰科学新闻对这项工作的评价:这是继2012早些时候欧州核子中心发现希格斯粒子后的又一里程碑式的发现(新闻评论审查员:Paul Hamaker)。

http://www.examiner.com/article/gravity-travels-at-speed-of-light-chinese-research-reveals

也引起国内学者关注,湖南大学理论物理研究所所长、物理学教授刘全慧的评价是:涉及到引力探测的任何结果都非常重要,已经有了很多间接的结果。如果这次是直接的观测,而且消除了各种误差,估计是一个极大欢喜的结果。

正因为科学上的重要性,对这项工作质疑的声音也不少。

理论物理所黄超光研究员的反对文章“The observation of the Earth tideis irrelevant to the speed of gravity”,在《科学通报》58卷第26期发表。该文的主要论点是,太阳引力场是静场,重力固体潮观测不可能测量引力传播速度。

第二篇质疑论文由华中科大邵成钢教授撰写,发表在《科学通报》英文版上。

汤克云与两位教授当面坦率友好而深入地进行了讨论,消除了部分分歧。

为评价这项工作的科学价值,中国科学院于2013126日和38日,两次召开研讨会。会上多位资深研究员和理学部多位院士,对这项工作的意义及存在的问题进行分析研讨。但会议并未作出评价结论,而是建议各方就自己观点撰写学术文章到科学刊物发表,进行深入的学术辩论。

汤克云根据会上各位学者、老师的意见和建议,正对观测及计算方法作进一步改进。其中工作量较大的部分是:地球物理中计算固体潮所用日月天体位置的计算,长期沿用上世纪布朗(Brown)月球轨道理论和纽康(Newcomb)太阳历书的计算方法。在进入宇航时代后,太阳系天体位置的确定已有更精确的计算方法。要获得更精确的理论固体潮数据,就需要采用太阳系天体位置及地球运动更精确的计算方法。汤克云研究团队对此并不熟悉,而中科院紫金山天文台等单位有专门从事太阳系动力学,精密行星月球历表,天文参考系变换,航天器轨道优化设计等方面的学者。问题是,汤的这项工作并未列入国家科研项目,汤也已退休,无权申请项目。进一步的工作难以展开。

引力传播速度是物理学中未得到观测实证的重大科学问题,任何一项声称获得引力速度观测数据的工作,都会引起主流学界关注、质疑和检验。

2003年,射电天文学家艾德•弗马龙(Ed Fomalont)和理论物理学家谢尔盖•科佩金(Sergei Kopeikin)利用木星掩蚀射电类星体的机会,用洲际射电望远镜阵列,测量类星体视位置变化,从而确定引力速度。结论是:引力以光速传播,测量误差±0.21。如果引力与电磁波的传播速度相同,关于电磁作用与引力作用可以统一处理的各种理论设想就有了进一步的根据。

这是国际上首次用直接观测法获得引力传播速度数据。但在三个月后,被主流物理学界认为,测得的是电磁波传播速度而非引力传播速度。

但对汤的工作,国外主流物理学界却没有发表批驳文章。为什么对弗马龙和科佩金的工作很快就作出响应,而对中国人的工作却既不作批驳也不表示支持,这实在是件很奇怪的事。汤曾主动与国外学者联系,却一直没有回音。什么原因?值得国人深思。

汤的这项工作研究原理并不复杂,学界如果认真检查汤的全部工作,对汤的工作无论是证实(引力以光速传播)还是证伪(引力瞬间传播)在尚未能够观测到引力波的当时,都有相当重要的科学意义。都是中国科学前进中发出的脚步声。

四年后,美国人率先观测到引力波。

据说,参加引力波探测的133个单位的总花费已近百亿美元。汤的这项研究则借用中国地震局为地震预测在山洞中安静环境下工作的精密重力仪日常记录的重力固体潮观测资料,耗资廖廖。

如今,LIGO已直接探测到来自双黑洞并合发出的引力波,但是,由于无法确定引力波源的位置,尚不能由观测求解引力波或引力场的传播速度。迄今为止,从固体潮观测数据求引力传播速度,仍然是唯一可行的途径。对汤克云团队的这项工作的意义应给予正确的评价和足够的重视。

对引力不同原理的观测方法在科学上都有重要价值。我国主流科学界能不能借这次西风,调动一些力量对汤的工作做扎实的“证伪”或“证实”工作。在引力传播速度研究上,攻下这个科学堡垒。

中国科学如果对各项创新研究工作缺乏学术评价能力,中国科学如何能够大步前进。




人类首次探测到引力波
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