关于地球引力场方向零改变的思考

郁 犁 孙泽信

(1.南京地铁建设有限责任公司 江苏南京 210000；2.江苏省地质工程勘测院 江苏南京 210000)

一、关于地球引力场方向的思考

引力（场）从牛顿万有引力定律到爱因斯坦广义相对论（还有其他引力理论）经历了实践、认识和思想上的系列改变，但其表现性质似乎可以从地球表面引力大小分布和方向变化做简单讨论。从分布看，大量和长期测量数据似乎表明其恒定不变的性质（不考虑更高阶引力摄动似乎和地球运动无关）；从方向看，是指向其相对静止质心还是其相对微波背景辐射参照系的瞬时质心便成为判断引力场分布性质的关键[1]。

和爱因斯坦广义相对论相比，牛顿万有引力定律只是静态引力场的近似规律。但从牛顿万有引力定律和静电、磁场的平方反比规律看，符合高斯定理的作用力结论均从相对静止的参照系得出但不影响前者在运动过程的分析运用，对电磁力似乎要区分静止和运动。

撇开绝对静止参照系的无谓争论，现代宇宙学肯定了弥漫全宇宙的微波背景辐射的存在，因此，以背景辐射为基准的绝对运动就有了客观意义。我们已跨越伽利略时代近四个世纪，不存在物理准则来区分参照系的运动和静止的推断已不复成立。从宇宙学事实看，甄别动或静的物理准则是存在的，在任一（局域）参照系中都能观测宇宙背景辐射，若发现某参照系中没有背景辐射的温度各向异性，该参照系是绝对静止的；如发现背景辐射的各向特别是偶极异性，就能确定该系的绝对运动。从1978年起地球对微波背景辐射偶极异性的观测特别是1996年COBE观测结果表明，地球在宇宙中的绝对速度为369±1km/s，其方向为赤经11.3±0.1h、赤纬4°±2°。该速度比地球绕日公转速度高出一个数量级、比其自转地表线速度高出三个数量级。因此，可忽略地球自转和公转的合成速度影响，可以用最简单的方法（垂球昼夜指向变化）观测地球引力场方向的变化情况[2][3][4][5]。

二、实验和结果

地球绝对运动基本在其赤道面2°范围内，其速度是光速的1/1000量级，如引力指向其瞬时质心，则2m垂线有4mm昼夜摆幅，其方向在赤经11.3±0.1h。

在地球南、北极附近，指向其瞬时质心的引力方向由于地球自转呈圆锥摆变化；在赤道附近呈单摆变化；在纬度由低向高变化过程中呈长轴不变短轴不断增大的椭圆摆方式变化[6]。

太阳和月亮的引潮力是距离的-3次幂。分析如下：

即便是朔望月时，太阳和月亮引潮力叠加也只有地球引力的8.25*10-8量级，在赤道面上对引力方向的改变作用是上述地球瞬时质心后移量的10-5量级，不影响观测。

（一）实验方法

首先将长度约220厘米的细丝悬挂于上方固定处，下端挂一重锤球，并置于油桶中，使之稳定。在相互垂直的方向上安置用于测量细丝的标尺，每个方向两根标尺，分别置于与顶端距离1米处和2米处，为不影响细丝的运动，标尺与细丝的水平距离在5mm，然后设定起始时间，观测细丝在上、下垂直标尺处的读数，每次进行3次读数。如图X-X所示。

图X-X 实验装置示意图

（二）实验结果

设定起始读数时间为当日8时，分别读取X和Y方向上的X1、X2、Y1、Y2读数，每个标尺每次进行3次读数，读数周期为6小时一次，连续观测三天，实验数据详见表1和表2。

表1 X方向标尺读数记录表

表2 Y方向标尺读数记录表

（三）实验结论

1.通过对X方向上的观测，可以看出在标尺X1、X2处的读数最大值与最小值的读数差均在0.6mm以内，且X1处的读数变化X2处的读数变化规律相同；

2.通过对Y方向上的观测，可以看出在标尺Y1、Y2处的读数最大值与最小值的读数差均在0.7mm以内，且Y1处的读数变化Y2处的读数变化规律相同；

3.通过实测结果与试验预测结果比较分析，可以看出试验结果并未在1m处出现2mm的摆幅，2米处出现4mm的摆幅，两处数据变化规律相同，可以认为该试验数据的变化值为人工读数引起误差，细丝本身并未在X或Y方向上未产生位移。

三、思考和结语

综上所述，地球引力场方向始终指向其自身质心，（似乎）和地球一道进行同样的平动和转动。

1687年牛顿站在开普勒和伽利略等巨人的肩上提出了第一个完整的引力定律（在相对静止系中研究发现同样成功运用于动系）。如上图，质点m受mi引力合力为：

对连续分布质元为如下积分形式：

对上图相对静止的极矢系，引力（场）只和质元及其位矢有关，简言之，物质质量的欧几里德几何分布决定了引力场的分布。本文实验零结果表明：（绝对）运动不改变引力场的分布。

再考察本文开头谈到的静电场情况。

上图左图在静系中刚体两端分别有异性电荷，其产生静电场；右图在动系中同样的刚体由于电动力产生力矩则刚体转动。设想左图静止在地球上，则静电场的情况和引力场一样（符合平方反比定律并符合高斯定理）并且仅有静电场存在；但地球是运动的，则刚体必然转动，而事实上刚体不动。可见，电荷的欧几里德几何分布决定其静电场的分布，运动不改变其分布。静电场反映的是电荷的净（效应）性质。相信，静电场的分布也同样不受其运动影响，这可从静电场平方反比定律实验检验得到证实[7]。