七君

在過(guò)去的60多年里，一個(gè)諾獎(jiǎng)經(jīng)濟(jì)學(xué)家在日食時(shí)發(fā)現(xiàn)的奇怪現(xiàn)象，一直困擾著物理學(xué)家們，至今爭(zhēng)議不斷。這個(gè)現(xiàn)象似乎違反了經(jīng)典引力理論，但是還沒(méi)人能完美地解釋這個(gè)現(xiàn)象，也沒(méi)有人確信這個(gè)現(xiàn)象究竟是否存在。

傅科擺帶來(lái)的詭異物理現(xiàn)象

在中學(xué)里我們學(xué)過(guò)單擺，單擺就是把重物掛在一根繩子上蕩起來(lái)就成了。拉動(dòng)單擺，單擺會(huì)以固定周期晃動(dòng)。但是如果我們觀(guān)察足夠長(zhǎng)的時(shí)間，就會(huì)發(fā)現(xiàn)單擺的擺動(dòng)面會(huì)逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)。這種轉(zhuǎn)動(dòng)是地球的自轉(zhuǎn)造成的，在南半球是逆時(shí)針，在北半球是順時(shí)針。這個(gè)現(xiàn)象也叫進(jìn)動(dòng)，單擺的進(jìn)動(dòng)最早是法國(guó)物理學(xué)家萊昂·傅科（Leon Foucauit）在19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的，因此這種單擺也叫作傅科擺，它首次為地球自轉(zhuǎn)提供了天文學(xué)之外的證據(jù)。

???因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)，傅科擺的擺動(dòng)面會(huì)周期性地轉(zhuǎn)動(dòng)

不管是今天測(cè)還是明天測(cè)，物理學(xué)家們并不認(rèn)為傅科擺的進(jìn)動(dòng)會(huì)有什么不同，因此也沒(méi)有人每天觀(guān)察傅科擺。實(shí)際上美國(guó)國(guó)家航空航天局指出，歷史上對(duì)傅科擺的長(zhǎng)期研究只有兩例，而這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是諾獎(jiǎng)學(xué)者實(shí)施的。

第一個(gè)是在1913年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的荷蘭人?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（ HeikeKamerlingh Onnes），另一個(gè)是1988年的諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主法國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家莫里斯·阿萊（ Maurice Allais）。

莫里斯-阿菜

阿萊曾連續(xù)30天在巴黎的實(shí)驗(yàn)室里不停地玩傅科擺，每隔14分鐘就釋放擺錘一次，同時(shí)記錄下數(shù)據(jù)，比如轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。在這30天里碰巧出現(xiàn)了1954年的日食，因此他觀(guān)察到了一個(gè)反常識(shí)的現(xiàn)象：在日食期間，單擺的擺動(dòng)面居然往同調(diào)了！但是在日食之后，單擺又恢復(fù)了正常，擺動(dòng)面恢復(fù)了每分鐘019度的均勻轉(zhuǎn)速。后來(lái)在1959年，阿萊在57米深的地下再次重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，得到了類(lèi)似的結(jié)果。

科學(xué)家論證“引力異?，F(xiàn)象”

這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常驚人，是經(jīng)典的引力理論無(wú)法解釋的，因此被歸為“引力異?，F(xiàn)象”。也因?yàn)檫@個(gè)觀(guān)察，1959年阿萊獲得了法國(guó)航空航天協(xié)會(huì)頒發(fā)的Galabert獎(jiǎng)，并在同年獲得了美國(guó)引力研究基金會(huì)的榮譽(yù)。這個(gè)現(xiàn)象后來(lái)被稱(chēng)為阿萊效應(yīng)，阿萊在1988年的諾獎(jiǎng)致辭中還鄭重其事地把它拿出來(lái)論述了一番。在他這個(gè)令人意外的發(fā)現(xiàn)發(fā)表后，眾多研究者嘗試復(fù)制，結(jié)果出現(xiàn)了截然不同的兩派。

傅科擺實(shí)物圖

比如在1970年3月美國(guó)的全日食期間，哈佛大學(xué)的物理學(xué)研究者Erwin Saxl和Mildred Allen利用扭擺得到了支持性的結(jié)果。這些研究者稱(chēng)：“這個(gè)結(jié)果是無(wú)法用經(jīng)典引力理論解釋的?！焙髞?lái)這項(xiàng)研究被發(fā)表在1971年的《Physical Review D》上。

在1997年3月9日我國(guó)漠河的全日食期間，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的楊新社和中科院的同事也觀(guān)察到了奇特的引力異常，為阿萊的說(shuō)辭提供了側(cè)面支持。但1954年蘇格蘭和1965年意大利的觀(guān)測(cè)卻無(wú)法支持阿萊的結(jié)論。1991年和2010年發(fā)表在《PhysicalReview D》上的兩項(xiàng)分別在芬蘭和阿根廷做的觀(guān)測(cè)也都宣稱(chēng)沒(méi)有檢測(cè)到阿萊效應(yīng)。

在眾多相互矛盾的研究面前，阿萊雖不輕易退縮，但也沒(méi)有十足的把握。1988年在諾獎(jiǎng)致辭中阿萊表示：“在1954年6月30日的全日食期間，圓錐擺錘的振動(dòng)面出現(xiàn)了異常。1952年和1953年的觀(guān)測(cè)無(wú)法讓我得到任何確切的結(jié)論。一些實(shí)驗(yàn)儀器得到了這個(gè)效應(yīng)，但是另一些儀器卻沒(méi)有，所有這些現(xiàn)象都是目前的主流理論很難解釋的?！?/p>

研究日食時(shí)發(fā)生的物理現(xiàn)象確實(shí)很困難，因?yàn)槿帐车臅r(shí)間很短，因此觀(guān)測(cè)到的現(xiàn)象可能是其他環(huán)境因素，比如地質(zhì)活動(dòng)引起的。一些人認(rèn)為，阿萊的單擺可能受到了溫度、壓力、濕度等環(huán)境因素的影響，不關(guān)引力的事。

為了揭開(kāi)這個(gè)困擾物理學(xué)家們45年的謎團(tuán)，1999年8月11日，NASA集結(jié)了來(lái)自4大洲7個(gè)國(guó)家的觀(guān)測(cè)站，進(jìn)行了一次跨國(guó)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)這個(gè)項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者David Noever稱(chēng)：“對(duì)阿萊原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋有二條，一是出現(xiàn)了系統(tǒng)性的錯(cuò)誤，一是當(dāng)?shù)丨h(huán)境的效應(yīng)，二是未知的效應(yīng)。要排除前兩種可能性的話(huà)，我們和其他觀(guān)測(cè)者會(huì)在全球網(wǎng)絡(luò)中使用不同的測(cè)量工具?！?/p>

不過(guò)，這項(xiàng)觀(guān)測(cè)報(bào)告始終沒(méi)有發(fā)表，實(shí)驗(yàn)本身也遭到了阿萊的批評(píng)，阿萊認(rèn)為觀(guān)測(cè)時(shí)間太短了。更蹊蹺的是，Noever在實(shí)驗(yàn)后很快離開(kāi)了NASA和學(xué)術(shù)界，跑到阿拉巴馬州一家小小的技術(shù)公司入職，隨著他的離去，這次跨國(guó)觀(guān)測(cè)的數(shù)據(jù)也一同銷(xiāo)聲匿跡了。

在1999年跨國(guó)觀(guān)測(cè)時(shí)，NASA曾表示，研究者至少需要10年的時(shí)間才能讓這場(chǎng)爭(zhēng)論平息。果不其然，到了2009年，還有研究者在試圖重復(fù)阿萊效應(yīng)。

2009年7月22日的日食期間，中科院的物理學(xué)家們?cè)诤贾?、湖州、上海、武漢四處進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。不過(guò)，這次觀(guān)測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)阿萊現(xiàn)象或任何引力異常，結(jié)果發(fā)表在2 013年的中文期刊《地球物理學(xué)報(bào)》上。

阿萊現(xiàn)象就像一個(gè)飄蕩在引力理論上的幽靈，許多物理學(xué)家不相信它的存在，因?yàn)閷?duì)阿萊現(xiàn)象的解釋大都非主流。比如其中一個(gè)經(jīng)常被科幻片提名的理論叫作引力屏蔽效應(yīng)。引力屏蔽效應(yīng)指的是，兩個(gè)物體間的重力加速度會(huì)因?yàn)榈诙叩拇嬖诙l(fā)生變化。

按照這種理論，當(dāng)月球擋在太陽(yáng)前，也就是發(fā)生日食的時(shí)候，地球上的重力加速度會(huì)降低。這就好比如果你把一頭大象墊在屁股下面當(dāng)坐墊，那么地球?qū)δ愕囊徒档土?，你?huì)感覺(jué)輕飄飄的如同插上了護(hù)翼。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的物理學(xué)研究者ChrisDuif則表示，雖然他不太相信阿萊現(xiàn)象的存在，但確實(shí)需要把阿萊現(xiàn)象上的不確定性打破，如果這個(gè)現(xiàn)象被證明為真，那將是物理學(xué)的一大革命。

話(huà)說(shuō)同來(lái)，為什么NASA會(huì)對(duì)這個(gè)飽受爭(zhēng)議的現(xiàn)象如此感興趣呢？因?yàn)镹ASA曾多次遭遇引力異常。NASA發(fā)射的兩個(gè)空間探測(cè)器先驅(qū)者10號(hào)（1972年）和先驅(qū)者11號(hào)（1973年）在離開(kāi)太陽(yáng)系時(shí)均出現(xiàn)了無(wú)法解釋的加速。伽利略號(hào)探測(cè)器（1990年12月）和會(huì)合一舒梅克號(hào)太空探測(cè)衛(wèi)星（1998年）也曾受到了來(lái)歷不明的加速。

先驅(qū)者10號(hào)藝術(shù)暢想

美國(guó)火箭之父韋恩赫爾·馮·布勞恩（ Wemervon Braun）聽(tīng)說(shuō)了阿萊的發(fā)現(xiàn)后感到很激動(dòng)，他認(rèn)為阿萊現(xiàn)象或許可以解釋這種莫名其妙的加速，他是站阿萊這一邊的。

不管怎么說(shuō)，阿萊對(duì)自己的跨界攪渾水感到很開(kāi)心，他曾說(shuō)：“我在理論物理和應(yīng)用物理學(xué)里的研究乍看之下和我作為經(jīng)濟(jì)學(xué)家的主業(yè)相距甚遠(yuǎn)，但事實(shí)上這些研究給我?guī)?lái)了寶貴的體驗(yàn)?！?/p>

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”公眾號(hào)，有刪節(jié)）