困惑，日食時發(fā)現(xiàn)的詭異物理現(xiàn)象

七君

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

傅科擺帶來的詭異物理現(xiàn)象

在中學(xué)里我們學(xué)過單擺，單擺就是把重物掛在一根繩子上蕩起來就成了。拉動單擺，單擺會以固定周期晃動。但是如果我們觀察足夠長的時間，就會發(fā)現(xiàn)單擺的擺動面會逐漸轉(zhuǎn)動。這種轉(zhuǎn)動是地球的自轉(zhuǎn)造成的，在南半球是逆時針，在北半球是順時針。這個現(xiàn)象也叫進(jìn)動，單擺的進(jìn)動最早是法國物理學(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)。

???因為地球的自轉(zhuǎn)，傅科擺的擺動面會周期性地轉(zhuǎn)動

不管是今天測還是明天測，物理學(xué)家們并不認(rèn)為傅科擺的進(jìn)動會有什么不同，因此也沒有人每天觀察傅科擺。實際上美國國家航空航天局指出，歷史上對傅科擺的長期研究只有兩例，而這兩個實驗都是諾獎學(xué)者實施的。

第一個是在1913年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的荷蘭人海克·卡末林·昂內(nèi)斯（ HeikeKamerlingh Onnes），另一個是1988年的諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎得主法國經(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天在巴黎的實驗室里不停地玩傅科擺，每隔14分鐘就釋放擺錘一次，同時記錄下數(shù)據(jù)，比如轉(zhuǎn)動的角度。在這30天里碰巧出現(xiàn)了1954年的日食，因此他觀察到了一個反常識的現(xiàn)象：在日食期間，單擺的擺動面居然往同調(diào)了！但是在日食之后，單擺又恢復(fù)了正常，擺動面恢復(fù)了每分鐘019度的均勻轉(zhuǎn)速。后來在1959年，阿萊在57米深的地下再次重復(fù)了實驗，得到了類似的結(jié)果。

科學(xué)家論證“引力異?，F(xiàn)象”

這個實驗結(jié)果非常驚人，是經(jīng)典的引力理論無法解釋的，因此被歸為“引力異?，F(xiàn)象”。也因為這個觀察，1959年阿萊獲得了法國航空航天協(xié)會頒發(fā)的Galabert獎，并在同年獲得了美國引力研究基金會的榮譽。這個現(xiàn)象后來被稱為阿萊效應(yīng)，阿萊在1988年的諾獎致辭中還鄭重其事地把它拿出來論述了一番。在他這個令人意外的發(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。

傅科擺實物圖

比如在1970年3月美國的全日食期間，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：“這個結(jié)果是無法用經(jīng)典引力理論解釋的。”后來這項研究被發(fā)表在1971年的《Physical Review D》上。

在1997年3月9日我國漠河的全日食期間，英國國家物理實驗室的楊新社和中科院的同事也觀察到了奇特的引力異常，為阿萊的說辭提供了側(cè)面支持。但1954年蘇格蘭和1965年意大利的觀測卻無法支持阿萊的結(jié)論。1991年和2010年發(fā)表在《PhysicalReview D》上的兩項分別在芬蘭和阿根廷做的觀測也都宣稱沒有檢測到阿萊效應(yīng)。

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

研究日食時發(fā)生的物理現(xiàn)象確實很困難，因為日食的時間很短，因此觀測到的現(xiàn)象可能是其他環(huán)境因素，比如地質(zhì)活動引起的。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。

為了揭開這個困擾物理學(xué)家們45年的謎團(tuán)，1999年8月11日，NASA集結(jié)了來自4大洲7個國家的觀測站，進(jìn)行了一次跨國實驗。當(dāng)時這個項目的領(lǐng)導(dǎo)者David Noever稱：“對阿萊原始實驗數(shù)據(jù)的解釋有二條，一是出現(xiàn)了系統(tǒng)性的錯誤，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，我們和其他觀測者會在全球網(wǎng)絡(luò)中使用不同的測量工具。”

不過，這項觀測報告始終沒有發(fā)表，實驗本身也遭到了阿萊的批評，阿萊認(rèn)為觀測時間太短了。更蹊蹺的是，Noever在實驗后很快離開了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，這次跨國觀測的數(shù)據(jù)也一同銷聲匿跡了。

在1999年跨國觀測時，NASA曾表示，研究者至少需要10年的時間才能讓這場爭論平息。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)家們在杭州、湖州、上海、武漢四處進(jìn)行了實驗。不過，這次觀測沒有發(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》上。

阿萊現(xiàn)象就像一個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，因為對阿萊現(xiàn)象的解釋大都非主流。比如其中一個經(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，兩個物體間的重力加速度會因為第二者的存在而發(fā)生變化。

按照這種理論，當(dāng)月球擋在太陽前，也就是發(fā)生日食的時候，地球上的重力加速度會降低。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?，你會感覺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，但確實需要把阿萊現(xiàn)象上的不確定性打破，如果這個現(xiàn)象被證明為真，那將是物理學(xué)的一大革命。

話說同來，為什么NASA會對這個飽受爭議的現(xiàn)象如此感興趣呢？因為NASA曾多次遭遇引力異常。NASA發(fā)射的兩個空間探測器先驅(qū)者10號（1972年）和先驅(qū)者11號（1973年）在離開太陽系時均出現(xiàn)了無法解釋的加速。伽利略號探測器（1990年12月）和會合一舒梅克號太空探測衛(wèi)星（1998年）也曾受到了來歷不明的加速。

先驅(qū)者10號藝術(shù)暢想

美國火箭之父韋恩赫爾·馮·布勞恩（ Wemervon Braun）聽說了阿萊的發(fā)現(xiàn)后感到很激動，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，阿萊對自己的跨界攪渾水感到很開心，他曾說：“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)，但事實上這些研究給我?guī)砹藢氋F的體驗?！?/p>

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