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我科学家率先证明引力场以光速传播

前天下午,“引力场以光速传播的观测证据”新闻发布会在京举行,汤克云等宣布成功获得全球首个“引力场以光速传播”的观测证据。相关论文已发表于最新一期的《Chinese Science Bulletin》(中国科学通报)上。

牛顿认为引力传播是一种超距作用,也就是说引力可以在瞬间传播至任意远处,这种认识非常符合日常生活中引力无处不在的个人体验。但爱因斯坦1918年提出的广义相对论预言,引力不存在超距作用,而是以光速传播的波,并形成引力场。通俗地讲,引力场与引力波有些类似电磁场与电磁波的关系。

引力波探测,除了能够验证爱因斯坦广义相对论的正确性外,还有助于证明其他各种引力理论的正确与否,推动引力场量子化的理论研究。这些都是现代物理学的重要课题,如果出现与预期不符的结果,将有可能导致物理学的又一次大发展。

中国科学家的这项创新突破,实现了物理学界多年来对通过实验或观测获得引力场传播速度的期待。中科院院士滕吉文说:“这项原创成果是中国科学家在引力物理研究领域的重要突破。”

汤克云2011年在中科院演讲(资料图)

汤克云2011年在中科院演讲(资料图)

十年漫漫探索

由中国科学院地质与地球物理研究所的汤克云研究员领衔、中国地震局和中国科学院大学有关科研人员组成的科学团队,经过10多年的持续探索,在实施多次日食期间的重力固体潮观测后,发现地球固体潮公式实际上暗含着引力场以光速传播的假定,从而提出用固体潮测量引力传播速度的方法。

该团队先后利用的日食是:1997年漠河日全食、2001年赞比亚日全食、2002年澳大利亚日全食、2008年嘉峪关日全食、2009年上海—杭州—湖州日全食和2010年云南大理日环食。

2009年杭州日食景观

2009年杭州日食景观

汤克云科学团组随后选择远离太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋的西藏狮泉河站和新疆乌什站的固体潮数据,以避免海洋潮汐的影响。他们滤去了数据的扰动,再把数据代入引力传播速度方程,证明方程成立。也就是说,最终获得了全球第一个能证明“引力场以光速传播”的观测证据。数据显示引力波的传播速度为0.93至1.05倍光速,误差为5%。

日全食期间测量用的真空摆,安置于上海佘山

日全食期间测量用的真空摆,安置于上海佘山

相关知识介绍:

引力场与引力波的探测

最常见的探测引力波的方法是观测大质量天体,因为它们的运动会发射出较大的引力波辐射。例如白矮星、中子星或黑洞等组成的双星系统,河外星系内合并形成的超大质量黑洞,自转的脉冲星的自转,超新星的引力坍缩等。

正在融合的两个黑洞是强大的引力波源(模拟图)

科学家通常用激光干涉仪来探测。但引力本身非常微小,比电磁力小三四十个量级。据估计,引力波使激光光程差产生的变化,大约只有一个质子的大小。因此,即使在真空和隔离振动的环境下,也极难探测到。汤克云团队曾于2004年筹划建立低频的中国爱因斯坦引力波探测站(CEGO),作为国际上高频探测的补充,《科学》杂志曾予以报道。

2011年8月,科学家在德国汉诺威的GEO600引力波观测站和意大利比萨的处女座引力波探测器获得了引力波存在的证据,但未证实“引力波以光速传播”。

固体潮

通常指在日、月引潮力的作用下,固体地球产生的周期性形变的现象。月球和太阳对地球的引力不但可以引起地球表面流体的潮汐,还能引起地球固体部分的周期性形变。由于其他天体距地球甚远,对地球的引力甚微,在固体潮的研究中一般可略而不计。

测量重力异常用的部分实验设备

测量重力异常用的部分实验设备

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