引力的速度

    引力有没有速度？牛顿万有引力定律认为，引力是以无穷大的速度传递的。但爱因斯坦认为，任何一种物理速度都不能超越光速，引力也一样。百年来，物理学家们一直为这个问题争论不休。日前，中国科学家宣布，他们发现在地球重力固体潮的经典牛顿公式中隐含着引力以光速传播的假设，并由此找到了测量引力传播速度的方法。

    牛顿与爱因斯坦之争：无穷大，还是光速？

    任何两个有质量的物体之间都会产生相互吸引的力，这就是万有引力，简称引力。当物体的质量不够大时，引力的作用不那么明显；当物体的质量足够大，比如太阳和地球，引力的作用就不可忽视了——地球的运行轨道、地球上的潮涨潮落，这一切都与引力有关。

    1687年，伟大的物理学家牛顿发现了引力，并给出了计算两个物体间引力大小的公式F=Gm1m2/r2。G是英国物理学家、化学家亨利·卡文迪许通过扭秤实验测得的万有引力常数，m1，m2是两个物体的质量，r是两个物体之间的距离。换句话说，引力的大小和两个物体的质量成正比，和物体之间距离的平方成反比。

    大家可能注意到，在这个公式中，没有时间的概念——后人解释说，牛顿认为，引力传播速度是无穷大的。简单地说，就是不管距离有多远，引力都能瞬间到达。

    200多年后，又一位伟大的物理学家诞生了——爱因斯坦。在他提出的复杂的狭义相对论中有一个观点：光速，是一切物理速度的上限。也就是说，不可能有一种速度比光速更快，引力传播的速度也不例外。

    一百多年来，物理学家们一直为这个问题争论不休。有人认为牛顿是正确的，又有人赞成爱因斯坦的观点。还有折中派——引力是有速度的，但太阳的引力场早在几十亿年以前就已经存在，因此并不存在传播问题。但大多数科学家认为，这是一个物理学的基本问题——大家都在期待最后的答案。

    美国科学家与中国科学家的尝试：射电波与固体潮

    理论需要实验来证明。然而这样的实验无法在实验室中进行：一是因为光速太快，实验室太小，无法用来测量引力速度；二是引力无法屏蔽，无法单独测量两个特定物体之间的引力。因此，百年以来，没人能给出答案。

    2002年，美国的两位科学家——柯佩金和弗马龙利用木星挡住一颗类星体的机会，动用了美国和德国的射电望远镜阵，试图发现引力的速度。

    简单地说，实验的原理是这样的：他们首先通过射电望远镜观测和计算出这颗类星体的运行轨道，当木星运行到地球与这颗类星体中间、挡住类星体时，再用射电望远镜观测和计算这颗类星体的运行轨道。

    他们发现，类星体的运行轨道发生了变化，并认为这种变化是由木星的引力作用引发的。他们由此计算出引力的传播速度：1.06倍的光速，误差20%。

    这是一个聪明而大胆的想法，但他们使用的仪器——射电望远镜为结果埋下了“隐患”。国际引力物理学界质疑：他们测到的是射电波的速度，而不是引力的速度。两位科学家无法解释这一问题，这次尝试只能宣告失败。

    中国科学家也在尝试解决这一问题。经过十几年的努力，中国科学家日前宣布，他们发现实用重力固体潮牛顿理论公式中隐含了引力以光速传播的假定，并导出了引力传播速度方程，最终获得了“引力以光速传播”的第一个观测证据。

    这是一群“既懂天文，又知地理”的科学家。文章的第一作者汤克云是中国科学院地质与地球物理研究所和中国科学院国家天文台的双聘研究员。在全部六位作者中，中国地震局地球物理研究所华昌才研究员和中国科学院大学的池顺良教授都有几十年的固体潮观测和研究经验。在观测和研究固体潮的过程中，他们逐渐发现，实用重力固体潮牛顿理论公式中，已经隐藏着引力以光速传播的假定。

    创新：固体潮的“秘密”

    汤克云介绍，太阳和月亮对地球的引力产生了潮汐，“其实，固体地球在日、月引潮力的作用下，也会发生形变，这就是固体潮汐。”

    一百多年来，大家在研究固体潮时有一个通用的公式——“重力固体潮经典牛顿理论公式”。

    以太阳为例，上面方程左边的S（O，t）是在时刻t，在观测点o观测到的太阳潮，方程右边是两项之差：第一项是观测点在时刻t受到的太阳引力场，或观测点粒子相对于太阳的加速度，第二项是地心处在时刻t受到的太阳引力场，即地心相对于太阳的加速度，两项之差则为位于观测点的粒子相对于地球中心的加速度。特别注意，方程两边的时间相同，都是时刻t。这意味着，引力从太阳传播到地面不需要时间。

    但实际上，光从太阳到地球是需要时间的，大概为800秒，也就是5分钟左右——换句话说，我们所看到的太阳的位置（视位置），并不是太阳真正的位置（真位置），而是五分钟前太阳的位置。

    “你看，在实用牛顿近似理论公式右边的位置不再是真位置，而是视位置，与视位置对应的时间当然早于观测时刻。这就是说，根据实用牛顿近似理论公式，引力从太阳发出的时间早于引力到达地面观测站的时间，即引力传播是需要时间的，引力速度是有限的而不是无穷大。”汤克云解释说，“实用牛顿近似理论公式相当于认为太阳引力和太阳光都是从太阳的视位置发出。”

    汤克云说：“也就是说，我们在应用这个公式的时候，实际上就假定了引力的速度等于光速；这个假定对不对，要与观测数据比。”进而汤克云推导出了求解引力速度的方程。

    接下来就是通过实验来检验这种猜想了。

    “在太阳系中，太阳和月亮对地球引力的影响最大，其他行星因为距离太远，引力作用可以忽略。但月亮距离地球又太近，光线1秒左右就到地球了，距离近、时间短，相对误差太大。因此，我们把研究的焦点集中在较远的太阳上。”华昌才说，他们用重力仪直接测量太阳的引力，避免了美国科学家的失误。“我们选择固体潮最明显的时间，比如农历的初一、十五，还有日全食时；为了避免海洋潮汐的影响，我们选择西藏、甘肃等远离海洋的内陆地区；在计算中，我们还刨除了月球对地球引力的影响。”

    这是一个复杂的过程。“我们最后得到的测量结果说明，爱因斯坦关于引力应以光速传播的的猜想是正确的。我们计算过，误差大概不超过5%。”

    在汤克云看来，一旦被证实，这就是一项“世界级的”重要发现。当然，任何科学探索的结果都需要反复检验，汤克云和他的团队正期待着来自其他物理学家的检验，“被证实或被质疑，这都是科学进步的一部分。”