郁 犁 孫澤信

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司 江蘇南京 210000；2.江蘇省地質(zhì)工程勘測(cè)院 江蘇南京 210000)

一、關(guān)于地球引力場(chǎng)方向的思考

引力（場(chǎng)）從牛頓萬有引力定律到愛因斯坦廣義相對(duì)論（還有其他引力理論）經(jīng)歷了實(shí)踐、認(rèn)識(shí)和思想上的系列改變，但其表現(xiàn)性質(zhì)似乎可以從地球表面引力大小分布和方向變化做簡(jiǎn)單討論。從分布看，大量和長期測(cè)量數(shù)據(jù)似乎表明其恒定不變的性質(zhì)（不考慮更高階引力攝動(dòng)似乎和地球運(yùn)動(dòng)無關(guān)）；從方向看，是指向其相對(duì)靜止質(zhì)心還是其相對(duì)微波背景輻射參照系的瞬時(shí)質(zhì)心便成為判斷引力場(chǎng)分布性質(zhì)的關(guān)鍵[1]。

和愛因斯坦廣義相對(duì)論相比，牛頓萬有引力定律只是靜態(tài)引力場(chǎng)的近似規(guī)律。但從牛頓萬有引力定律和靜電、磁場(chǎng)的平方反比規(guī)律看，符合高斯定理的作用力結(jié)論均從相對(duì)靜止的參照系得出但不影響前者在運(yùn)動(dòng)過程的分析運(yùn)用，對(duì)電磁力似乎要區(qū)分靜止和運(yùn)動(dòng)。

撇開絕對(duì)靜止參照系的無謂爭(zhēng)論，現(xiàn)代宇宙學(xué)肯定了彌漫全宇宙的微波背景輻射的存在，因此，以背景輻射為基準(zhǔn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)就有了客觀意義。我們已跨越伽利略時(shí)代近四個(gè)世紀(jì)，不存在物理準(zhǔn)則來區(qū)分參照系的運(yùn)動(dòng)和靜止的推斷已不復(fù)成立。從宇宙學(xué)事實(shí)看，甄別動(dòng)或靜的物理準(zhǔn)則是存在的，在任一（局域）參照系中都能觀測(cè)宇宙背景輻射，若發(fā)現(xiàn)某參照系中沒有背景輻射的溫度各向異性，該參照系是絕對(duì)靜止的；如發(fā)現(xiàn)背景輻射的各向特別是偶極異性，就能確定該系的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。從1978年起地球?qū)ξ⒉ū尘拜椛渑紭O異性的觀測(cè)特別是1996年COBE觀測(cè)結(jié)果表明，地球在宇宙中的絕對(duì)速度為369±1km/s，其方向?yàn)槌嘟?jīng)11.3±0.1h、赤緯4°±2°。該速度比地球繞日公轉(zhuǎn)速度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)、比其自轉(zhuǎn)地表線速度高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，可忽略地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的合成速度影響，可以用最簡(jiǎn)單的方法（垂球晝夜指向變化）觀測(cè)地球引力場(chǎng)方向的變化情況[2][3][4][5]。

二、實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

地球絕對(duì)運(yùn)動(dòng)基本在其赤道面2°范圍內(nèi)，其速度是光速的1/1000量級(jí)，如引力指向其瞬時(shí)質(zhì)心，則2m垂線有4mm晝夜擺幅，其方向在赤經(jīng)11.3±0.1h。

在地球南、北極附近，指向其瞬時(shí)質(zhì)心的引力方向由于地球自轉(zhuǎn)呈圓錐擺變化；在赤道附近呈單擺變化；在緯度由低向高變化過程中呈長軸不變短軸不斷增大的橢圓擺方式變化[6]。

太陽和月亮的引潮力是距離的-3次冪。分析如下：

即便是朔望月時(shí)，太陽和月亮引潮力疊加也只有地球引力的8.25*10-8量級(jí)，在赤道面上對(duì)引力方向的改變作用是上述地球瞬時(shí)質(zhì)心后移量的10-5量級(jí)，不影響觀測(cè)。

（一）實(shí)驗(yàn)方法

首先將長度約220厘米的細(xì)絲懸掛于上方固定處，下端掛一重錘球，并置于油桶中，使之穩(wěn)定。在相互垂直的方向上安置用于測(cè)量細(xì)絲的標(biāo)尺，每個(gè)方向兩根標(biāo)尺，分別置于與頂端距離1米處和2米處，為不影響細(xì)絲的運(yùn)動(dòng)，標(biāo)尺與細(xì)絲的水平距離在5mm，然后設(shè)定起始時(shí)間，觀測(cè)細(xì)絲在上、下垂直標(biāo)尺處的讀數(shù)，每次進(jìn)行3次讀數(shù)。如圖X-X所示。

圖X-X 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)定起始讀數(shù)時(shí)間為當(dāng)日8時(shí)，分別讀取X和Y方向上的X1、X2、Y1、Y2讀數(shù)，每個(gè)標(biāo)尺每次進(jìn)行3次讀數(shù)，讀數(shù)周期為6小時(shí)一次，連續(xù)觀測(cè)三天，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1和表2。

表1 X方向標(biāo)尺讀數(shù)記錄表

表2 Y方向標(biāo)尺讀數(shù)記錄表

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1.通過對(duì)X方向上的觀測(cè)，可以看出在標(biāo)尺X1、X2處的讀數(shù)最大值與最小值的讀數(shù)差均在0.6mm以內(nèi)，且X1處的讀數(shù)變化X2處的讀數(shù)變化規(guī)律相同；

2.通過對(duì)Y方向上的觀測(cè)，可以看出在標(biāo)尺Y1、Y2處的讀數(shù)最大值與最小值的讀數(shù)差均在0.7mm以內(nèi)，且Y1處的讀數(shù)變化Y2處的讀數(shù)變化規(guī)律相同；

3.通過實(shí)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果比較分析，可以看出試驗(yàn)結(jié)果并未在1m處出現(xiàn)2mm的擺幅，2米處出現(xiàn)4mm的擺幅，兩處數(shù)據(jù)變化規(guī)律相同，可以認(rèn)為該試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化值為人工讀數(shù)引起誤差，細(xì)絲本身并未在X或Y方向上未產(chǎn)生位移。

三、思考和結(jié)語

綜上所述，地球引力場(chǎng)方向始終指向其自身質(zhì)心，（似乎）和地球一道進(jìn)行同樣的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

1687年牛頓站在開普勒和伽利略等巨人的肩上提出了第一個(gè)完整的引力定律（在相對(duì)靜止系中研究發(fā)現(xiàn)同樣成功運(yùn)用于動(dòng)系）。如上圖，質(zhì)點(diǎn)m受mi引力合力為：

對(duì)連續(xù)分布質(zhì)元為如下積分形式：

對(duì)上圖相對(duì)靜止的極矢系，引力（場(chǎng)）只和質(zhì)元及其位矢有關(guān)，簡(jiǎn)言之，物質(zhì)質(zhì)量的歐幾里德幾何分布決定了引力場(chǎng)的分布。本文實(shí)驗(yàn)零結(jié)果表明：（絕對(duì)）運(yùn)動(dòng)不改變引力場(chǎng)的分布。

再考察本文開頭談到的靜電場(chǎng)情況。

上圖左圖在靜系中剛體兩端分別有異性電荷，其產(chǎn)生靜電場(chǎng)；右圖在動(dòng)系中同樣的剛體由于電動(dòng)力產(chǎn)生力矩則剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)想左圖靜止在地球上，則靜電場(chǎng)的情況和引力場(chǎng)一樣（符合平方反比定律并符合高斯定理）并且僅有靜電場(chǎng)存在；但地球是運(yùn)動(dòng)的，則剛體必然轉(zhuǎn)動(dòng)，而事實(shí)上剛體不動(dòng)?？梢?，電荷的歐幾里德幾何分布決定其靜電場(chǎng)的分布，運(yùn)動(dòng)不改變其分布。靜電場(chǎng)反映的是電荷的凈（效應(yīng)）性質(zhì)。相信，靜電場(chǎng)的分布也同樣不受其運(yùn)動(dòng)影響，這可從靜電場(chǎng)平方反比定律實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)得到證實(shí)[7]。