 《三思科学》电子杂志
2002年第12期·2003年第1期
合刊 总第18期
2003年1月17日
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治疗和预防艾滋病：未来展望
新闻
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├ 引力传播速度和光速相等
├ 星系四组舞
├ 海鞘基因组测序完成
├ 人类第14号染色体被破译
├ 雷尔教派宣称培育出克隆人
├ 彩电带来彩色梦？
├ 测量遥远行星质量的新方法
├ IBM造出世界最小晶体管
├ 并非仅是健康与美味二选一
├ 树洞里的声学专家
├ 科学家公布老鼠基因组草图
├ 昆虫基因使水稻耐旱
└ 离超新星多远才是安全的？
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[韩雪涛]圆周率 π 的计算历程
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[M.Shermer]柯克船长原则
[E.C.Scott]不仅仅是在堪萨斯
[L.M.Krauss]在与伪科学的辩论
中科学处境不利
[J.L.Heilbron & W.F.Bynum]
1903及其它
[E. Fomalont & S. Kopeikin]
引力有多快？
博物
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引力有多快？
 Ed Fomalont & Sergei Kopeikin
碧声译自NewScientist
January 12, 2003
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牛顿认为它是瞬时作用的，爱因斯坦设想它以光速传播，但迄今没有人真正知道引力的速度。射电天文学家艾德·弗马龙（Ed Fomalont）和理论物理学家谢尔盖·科佩金（Sergei Kopeikin）讲述他们寻找这个问题的答案的故事。
如果外星人的飞船突然把太阳从太阳系中央弄走了，地球会有何反应？我们知道，8.3分钟之后天会黑下来，这是光从太阳传播到地球所需的时间。但太阳的引力会怎样呢？
大多数科学家设想，引力传播的速度也是光速。因此地球还会在轨道上待8.3分钟，然后突然失去引力约束，沿直线在空间中行进下去。这一假设是广义相对论——爱因斯坦于1915年提出的、迄今仍是人类描述时空的最好理论——的隐含假设。但它只是个假设，从未被验证过。
更糟糕的是，由于现在人们所谓的“膜世界”产生兴趣，这一假设正面临着压力。膜理论是弦论的一种，在普通物质存在的时空之外构想额外的空间维度。在这些理论中，额外的维度挤得很小。引力可以在这些维度中间走捷径，而光则被限制在普通物质所存在的世界——即“主膜”里。
如果是这样，在我们的世界里，引力波传播速度可能超过光速，而并不违背广义相对论方程。因此，测定引力的速度将能对高维度的存在性及紧凑性提供重要证据，有助于检验一些最有竞争力的膜世界理论。
甚长基线阵列中位于新墨西哥洛斯阿拉莫斯的望远镜
去年出现了一个测量引力速度的机会。通过把我俩中间的一人（科佩金）提出的理论考察与另一人（弗马龙）发明的实验技术相结合，我们抓住了这个机会。机会出现于2002年9月8日，木星差不多正好经过一颗明亮的射电类星体 J0842+1835 的前方。我们的计划是利用世界最大的洲际射电望远镜阵列，测量类星体视位置的变化，从而确定引力的速度。现在，在对观测结果作了4个月的分析后，我们知道了答案。
关于引力速度的假设长久以来一直未被验证过，也未被质疑过，这其中并无神秘之处。大多数物理学家认为，引力的速度只在引力波通过空间传输时才表现出现，由于从来没有人探测到过引力波，自然也不用去想测定其传播速度。
但人们遗漏了一些东西。科佩金认识到，爱因斯坦的理论可以用另一种形式表示，在这种形式下，引力与电磁辐射类似。一个世纪以前，物理学家就认识到，匀速运动的电荷可以产生恒定的电磁场，其场强取决于电荷数量、运动速度和光速。这其中的关系以物理学家人人知道的麦克斯韦方程表示。重要的是，这意味着可以通过测量运动电荷的电磁场来计算光速，而无须直接探测电磁波。
科佩金以同样的方法重新表述了广义相对论，以运动物体的质量、速度和引力速度来表术它产生的引力场。如果我们能得到某大质量运动物体的引力场的详细信息，便可用它算出引力的速度。
问题是，得到这些信息相当不容易。“引力透镜”是一个显而易见的方法，即遥远天体发出的光在到达地球的过程中在某大质量天体的引力场作用下而偏转，致使天体的视位置发生移动。如果这个大质量天体是运动的，测量其透镜效应就可得到我们所需的信息。
但这其中存在问题。尽管物理学家早就知道静止或匀速运动的物体如何对光产生透镜作用，但描述一个自转并公转的物体如何偏转光线的方程就显得十分棘手。1999年，当时正在德国耶拿大学的科佩金取得了一个重大突破。令全世界物理学家惊奇的是，他找到了这些方程的严格解法。
能够探测运动物体的引力场只是一个开始，还有其它问题。我们还需要知道对光线起透镜作用的天体的准确质量及轨道。尽管天空中到处都是通过其它光源前面、使其光线偏转的恒星或暗星团，但对这些“宇宙透镜”的质量与速度，我们极少有知道得很详细的。
其中有一个物体我们确实掌握了它的信息，这就是木星。先驱者、旅行者和伽利略号飞船掠过木星，使我们得到了有关这颗行星的质量与轨道速度的、精确度无与伦比的数据。这样，要探测引力的速度，我们所需要的只是一个木星经过某强光源表面、使其光线偏转的机会。
2000年，科佩金把木星未来30年内的轨道与合适射电源的目录进行了比较。木星接近某个射电源是很罕见的事件，平均十年才发生一次。不过在2002年9月8日，木星将在强射电类星体J0842+1835附近通过。时间紧迫！
测量引力的速度：木星的引力作用改变类星体的位置
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我俩曾于1996年在东京短暂会面。科佩金在找人帮他进行观测时，想起了弗马龙在大约20年前曾经参与精确测量射电波在经过太阳附近时的偏转。这样的经验正是（探测引力速度的）实验所需要的。于是科佩金同这位老相识联系，我们的合作诞生了。
我们计划要探测的透镜效应，将使类星体J0842的视位置发生微小的变化。我们所能用来测量这个变化的最好方法，是通过一批相隔得越远越好的射电望远镜组成的阵列，来观察这个类星体。从遥远天体的射电信号到达不同望远镜的时间，就能确定它在天空中的位置。简单地说，如果一台望远镜接到信号比另一台要早，那么类星体离信号较早到达的望远镜必然要近一些。
为了尽可能地使观测精确，我们使用了能利用的最大望远镜阵列。开始是美国国立射电天文台的甚长基线阵列，它由一系列10台望远镜组成，每台直径25米，东起美国维尔京群岛的圣克罗伊岛，西至夏威夷的冒纳凯阿。然后我们又利用了德国埃弗斯堡的100米射电望远镜，得到一个延展1万公里的阵列。
这样应该可以把类星体位置测量到10微弧秒、即满月直径的50亿分之一的精度。这一精度是以前最高精度的3倍，刚好是分辨木星引力是瞬时以无限速度还是以有限速度花费特定时间到达地球所需的精度极限。
尽管我们知道理论上可以进行这项实验，但还有许多做错的可能。大陆运动或地球自转速度的改变导致望远镜位置发生微小的变化，就会影响到测量结果。更严重的是，任意一台台望远镜上空的气候，都会把整个实验毁掉：风吹动云经过望远镜，会使射电源视位置漂移，木星引力导致的偏移效应要比这小得多，因此会被漂移掩盖掉。
对付这些不确写性的关键，是在J0842+1835附近寻找信号在9月8日不受木星影响、但所在位置又足够近到（与J0842+1835）处于类似气候条件下的其它射电源。通过对几个射电源进行快速切换观测，测定视位置变动的精度可比观察单一天体要精确得多。最终我们选中了两个类星体作为当天的参考射电源。
我们可以使用望远镜阵列观测5天，每天10小时。最重要的一天当然是9月8日，当天格林尼治时间16点30分，木星以最近距离通过J0842。但仅仅如此还不够。类星体是由星系中央的黑洞爆发能量产生的，这种现象可能随时间发生变化。所以我们也在木星引力场对J0842的影响可忽略的时间做了观察，并检验确认我们的射电源并未以可与测量结果混淆的方式发生漂移。
我们最担心的事应该是木星本身了，更准确地说，是它那庞大而变化不定的磁气圈。这是一片由高速运动的电子构成的等体子体，源于太阳风，受木星磁场束缚。我们担心，9月8日类星体射电波经过木星表面附近时，可能会受到磁气圈的作用而偏折。如果磁气圈非常活跃，这种偏折效应将与我们所寻找的引力场偏转同样大。
可以用在两个频率同时观测的方式解决这一问题，但这会使实验更加复杂，降低总体精确度，因此我们决定赌一把，指望木星上有个好天气。
我们赌赢了，直到那重要的一天到来之前，一切都很顺利。可怕的是，9月8日那天，圣克罗伊望远镜出了故障，发生了严重的磁带记录问题。幸好后来发现，别的望远镜收集到的数据可以抵消这一损失。还有15%的数据由于天气原因必须放弃。
让人高兴的是，仍剩下了足够多的数据供分析。将J0842在9月8日这天的位置与不受木星影响的日子里的平均位置相比较，代入科佩金关于运动的木星的引力场方程，得出了我们所寻求的答案。我们成了世界上头两个知道引力速度——大自然的基本参数之一——的人。
结果就是：引力的确以光速运动。我们所得的实际数据是1.06倍光速，但有±0.21的误差。我们计划这个星期在西雅图举行的美国天文学会年会上报告这个结果。
我们的结果排除了引力瞬时传输（就像牛顿所想象的那样）的可能。如果引力作用是瞬时的，9月8日晚上我们观测到的类星体位置偏移应该与实际结果有所不同。这一结果证明，爱因斯坦在构建其广义相对论时，出于直觉假设引力速度等于光速，是正确的。
我们的结果还对膜世界理论的参数施加了严格限制，特别是限制了额外维度的数量及尺寸。额外维度越紧凑，引力在它们中间走捷径的可能性就越小，引力速度也就越接近光速。
我们希望能看到新的理论研究，能把统一基本作用力与引力统一起来，并考虑到这个问题。我们还希望今后10年内，俄罗斯、日本和美国可以通过在环地轨道上设置大型射电望远镜的方法，成功地将最大射电望远镜阵列扩展到超过地球直径，从而证实我们的研究结果并大大提高其精确度。
艾德·弗马龙（Ed Fomalont）是弗吉尼亚州夏洛茨维尔的美国国立射电天文台的科学家。谢尔盖·科佩金（Sergei Kopeikin）是密苏里－哥伦比亚大学的理论物理学教授。
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[新闻]引力传播速度和光速相等
甚长基线阵列·The Very Long Baseline Array
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