專利名稱：一種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及引力傳播速度的測(cè)量技術(shù)，更具體地說(shuō)是涉及ー種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量裝置及其方法。
背景技術(shù)：
卡文迪許實(shí)驗(yàn)告訴我們，有質(zhì)量的物體相互之間有吸引力，這種吸引カ就是引力。牛頓萬(wàn)有引力理論認(rèn)為引力的作用是瞬時(shí)的，而愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為引力的作用是以引力場(chǎng)的形式傳播的，這個(gè)傳播速度并不是無(wú)窮大，而是光速。但是在現(xiàn)有技術(shù)中人們并沒(méi)有在地球上采取任何的方法來(lái)測(cè)量過(guò)引力的傳播速度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供ー種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量裝置及其方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了ー種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量裝置，包括兩個(gè)設(shè)于陸地上的卡文迪許扭秤以及設(shè)于海面上的萬(wàn)噸級(jí)油輪，所述兩個(gè)卡文迪許扭秤的方位相同，所述兩個(gè)卡文迪許扭秤設(shè)于同一水平線上，所述萬(wàn)噸級(jí)油輪作往返運(yùn)動(dòng)使得兩個(gè)卡文迪許扭秤受迫振動(dòng)，還包括激光光源、分光計(jì)、反光鏡以及光屏，所述反光鏡固設(shè)于卡文迪許扭秤的扭絲上，所述反光鏡的反射面與卡文迪許扭秤的擺球在同一個(gè)平面上；所述分光計(jì)至反光鏡的距離相等，所述分光計(jì)接收激光光源發(fā)出的激光信號(hào)，并將該激光信號(hào)分成兩路光路射向反光鏡，所述光屏用于檢測(cè)經(jīng)反光鏡反射的光路的干渉條紋。所述分光計(jì)射向反光鏡的兩路光路的夾角為90度根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了ー種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量方法，該測(cè)量方法的具體步驟為A.將兩個(gè)卡文迪許扭秤中的一個(gè)設(shè)為參照扭秤，另ー個(gè)設(shè)為測(cè)量扭秤；B.通過(guò)萬(wàn)噸級(jí)油輪往返運(yùn)動(dòng)使得兩個(gè)卡文迪許扭秤產(chǎn)生扭動(dòng)；C.通過(guò)參照扭秤確定參考偏轉(zhuǎn)角；通過(guò)光屏確定在參考偏轉(zhuǎn)角下反光鏡的發(fā)射光路廣生的實(shí)際干涉點(diǎn)；D.在測(cè)量扭秤扭轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角與參考偏轉(zhuǎn)角相同的狀態(tài)下，通過(guò)光屏確定該狀態(tài)下反光鏡的發(fā)射光路產(chǎn)生的理論干渉點(diǎn)；E.以測(cè)量扭秤上反光鏡的中心為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，確定實(shí)際干涉點(diǎn)的坐標(biāo)值以及理論干渉點(diǎn)的坐標(biāo)值；F.計(jì)算實(shí)際干涉點(diǎn)與原點(diǎn)連成的直線以及理論干渉點(diǎn)與原點(diǎn)連成的直線所構(gòu)成的光路夾角；通過(guò)光路夾角計(jì)算測(cè)量扭秤產(chǎn)生實(shí)際干涉點(diǎn)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角與測(cè)量扭秤產(chǎn)生理論干涉點(diǎn)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角所構(gòu)成的偏轉(zhuǎn)差角；G.通過(guò)偏轉(zhuǎn)差角以及扭秤處于穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程獲得萬(wàn)噸級(jí)油輪產(chǎn)生的交變引力場(chǎng)到達(dá)兩個(gè)卡文迪許扭秤的時(shí)間差；通過(guò)兩個(gè)卡文迪許扭秤之間的距離以及時(shí)間差獲得交變引力場(chǎng)的傳播速度。所述步驟C中的參考偏轉(zhuǎn)角為參照扭秤受萬(wàn)噸級(jí)油輪的交變引力場(chǎng)影響而產(chǎn)生的最大偏轉(zhuǎn)角。與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明的一種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量裝置及其方法，利用了卡文迪許實(shí)驗(yàn)裝置原理，通過(guò)將萬(wàn)噸級(jí)油輪作為信源作往返的運(yùn)動(dòng)，信源的引力作用通過(guò)交變引力場(chǎng)到達(dá)兩個(gè)卡文迪許扭秤的時(shí)間不同，用激光干涉法測(cè)量?jī)蓚€(gè)卡文迪許扭秤運(yùn)動(dòng)之間的相位差，并計(jì)算出時(shí)間差，通過(guò)已知的兩個(gè)卡文迪許扭秤之間的距離，最后即可算出交變引力場(chǎng)的傳播速度。通過(guò)本發(fā)明對(duì)引力傳播速度的測(cè)量能夠判斷是否引力傳播速度大于光速。


圖I是本發(fā)明的一種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I中卡文迪許扭秤的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的測(cè)量方法的實(shí)施例的光路示意圖；圖4是圖3中的測(cè)量扭秤以及反射光路的放大示意圖；圖5是卡文迪許扭秤處于穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的振動(dòng)方程的波形示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的原理是將卡文迪許實(shí)驗(yàn)進(jìn)行放大，將大質(zhì)量的球換成一艘在海面上行駛的萬(wàn)噸級(jí)油輪，將扭秤和小質(zhì)量的擺球放大，再增加一個(gè)扭秤，并使兩個(gè)扭秤相距一段很長(zhǎng)的距離。油輪的來(lái)回行駛使得扭秤上的擺球受到油輪的引力作用會(huì)使扭秤來(lái)回?cái)[動(dòng)，由于兩扭秤相距一段距離，若引力是有限速度傳播的，那么兩扭秤的擺動(dòng)會(huì)有一個(gè)相位差，即一個(gè)時(shí)間延遲，兩扭秤相距的距離除以這個(gè)時(shí)間延遲就是弓I力傳播的速度。時(shí)間延遲可以通過(guò)在扭秤的中央放置一塊平面鏡，利用光干涉法來(lái)測(cè)。請(qǐng)參閱圖I、圖2所示的一種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量裝置，包括兩個(gè)設(shè)于陸地上放大的的第一卡文迪許扭秤11、第二卡文迪許扭秤12以及設(shè)于海岸線20外的海面上的萬(wàn)噸級(jí)油輪13，兩個(gè)卡文迪許扭秤的方位相同，兩個(gè)卡文迪許扭秤11、12設(shè)于同一水平線上，萬(wàn)噸級(jí)油輪13作折返運(yùn)動(dòng)使得兩個(gè)卡文迪許扭秤11、12擺動(dòng)，還包括實(shí)現(xiàn)光干涉法的激光光源14、分光計(jì)15、反光鏡16以及光屏17,反光鏡16固設(shè)于卡文迪許扭秤11、12的扭絲18上，反光鏡16的中軸線與扭絲18重合。反光鏡16的反射面與卡文迪許扭秤的擺球19在同一個(gè)平面上。分光計(jì)15至兩個(gè)反光鏡的距離相等，分光計(jì)15接收激光光源14發(fā)出的激光信號(hào)20，并將該激光信號(hào)20分成兩路光路21、22射向反光鏡15，兩路光路21、22的夾角為90度，光屏17用于檢測(cè)經(jīng)反光鏡反射的光路的干涉條紋。本發(fā)明中作為信源的萬(wàn)噸級(jí)油輪13采用四十萬(wàn)噸級(jí)油輪，輪船長(zhǎng)380米，寬68米，載重40萬(wàn)噸，時(shí)速V= 16節(jié)/時(shí)=8. 2311m/s ;作為信宿為兩個(gè)相同的巨型卡文迪許扭秤11、12，卡文迪許扭秤中兩個(gè)擺球19選擇質(zhì)量為IOOkg的銅球，銅球半徑為13. 8657cm,扭絲18采用直徑4mm、長(zhǎng)IOm的鋼絲(切變模量N = Ε/2(1+μ )，以Q235鋼為例，μ —般取O. 3，所以其彈性系數(shù)K' = O. 20096Nm/rad)。再請(qǐng)參閱圖3中所示的實(shí)施例,該實(shí)施例的具體步驟為將第一卡文迪許扭秤11設(shè)為參照扭秤，將第二卡文迪許扭秤12設(shè)為測(cè)量扭秤。在萬(wàn)噸級(jí)油輪13的引力作用下，兩個(gè)卡文迪許扭秤開(kāi)始發(fā)生偏轉(zhuǎn)，過(guò)一段時(shí)間后，卡文迪許扭秤的擺動(dòng)漸漸趨于穩(wěn)定時(shí)，遮住分光計(jì)15的一個(gè)孔，使得光路22消失，只有光路21，用光屏17尋找光路21偏離水平位置角度最大的光點(diǎn)，來(lái)確定光路21偏離的最大方向，并測(cè)得最大偏轉(zhuǎn)角作為參考偏轉(zhuǎn)角。分光計(jì)15的兩個(gè)孔都不遮住，光路21和光路22同時(shí)存在，讓光屏17沿著光路21最大偏離方向移動(dòng)，尋找最清晰的干涉條紋，并記錄下位置作為實(shí)際干涉點(diǎn)B。在此需要說(shuō)明的是，我們以第二卡文迪許扭秤12的中心為原點(diǎn)0，水平方向?yàn)閄軸，垂直方向?yàn)閅軸建立笛卡爾坐標(biāo)系，那么實(shí)際干涉點(diǎn)B的坐標(biāo)為(xl，yl)。假設(shè)兩個(gè)卡文迪許扭秤的振動(dòng)同步，即測(cè)量扭秤扭轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角與參考偏轉(zhuǎn)角相同，通過(guò)光屏確定該狀態(tài)下反光鏡的發(fā)射光路產(chǎn)生的理論干涉點(diǎn)A，理論干涉點(diǎn)A的坐標(biāo)為(X，y)。由此可以看出，理論干涉點(diǎn)是在沒(méi)有交變引力場(chǎng)作用下，通過(guò)光干涉法獲得的干涉點(diǎn)。再請(qǐng)參見(jiàn)在圖3、圖4所示，其中測(cè)量扭秤124為實(shí)現(xiàn)實(shí)際干涉點(diǎn)B時(shí)，第二卡文迪許扭秤的偏轉(zhuǎn)角的位置；測(cè)量扭秤123為理論干涉點(diǎn)A時(shí)，第二卡文迪許扭秤的偏轉(zhuǎn)角的位置。反射光路23表示實(shí)現(xiàn)理論干涉點(diǎn)A時(shí)的反射光路，在圖中也可以理解為理論干涉點(diǎn)與原點(diǎn)連成的直線；反射光路24表示實(shí)現(xiàn)實(shí)際干涉點(diǎn)B時(shí)的反射光路，在圖中也可以理解為實(shí)際干涉點(diǎn)與原點(diǎn)連成的直線。反射光路23以及反射光路24構(gòu)成的光路夾角為Z α。測(cè)量扭秤124與測(cè)量扭秤123構(gòu)成的偏轉(zhuǎn)差角為Λ Θ，即圖4中的Z 3和Z 4，由此可知Λ Θ=Z 3 =Z 4 將入射的光路22與測(cè)量扭秤123的夾角定義為Z 2，將測(cè)量扭秤124與反射光路23的夾角定義為Z 1，根據(jù)入射光線與反射面(即反光鏡16)的夾角等于反射光線與反射面(即反光鏡16)的夾角的原理可知Z 2+ Z 4 = Z 1+ Z αZ 2 = Z 1+ Z 3上述兩式相減可得Ζ α =Ζ3+Ζ4 = 2Ζ3 = 2Δ θ ;由此可知偏轉(zhuǎn)差角Λ Θ為光路夾角Z α的一半。再請(qǐng)參見(jiàn)圖3中由原點(diǎn)O、理論干涉點(diǎn)A以及實(shí)際干涉點(diǎn)B形成的三角形中，通過(guò)理論干涉點(diǎn)A以及實(shí)際干涉點(diǎn)B兩個(gè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)來(lái)計(jì)算光路夾角的值，其中
權(quán)利要求
1.一種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量裝置，包括兩個(gè)設(shè)于陸地上的卡文迪許扭秤以及設(shè)于海面上的萬(wàn)噸級(jí)油輪，所述兩個(gè)卡文迪許扭秤的方位相同，所述兩個(gè)卡文迪許扭秤設(shè)于同一水平線上，所述萬(wàn)噸級(jí)油輪作往返運(yùn)動(dòng)使得兩個(gè)卡文迪許扭秤受迫振動(dòng)，其特征在于還包括激光光源、分光計(jì)、反光鏡以及光屏，所述反光鏡固設(shè)于卡文迪許扭秤的扭絲上，所述反光鏡的反射面與卡文迪許扭秤的擺球在同一個(gè)平面上；所述分光計(jì)至反光鏡的距離相等，所述分光計(jì)接收激光光源發(fā)出的激光信號(hào)，并將該激光信號(hào)分成兩路光路射向反光鏡，所述光屏用于檢測(cè)經(jīng)反光鏡反射的光路的干涉條紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測(cè)量裝置，其特征在于所述分光計(jì)射向反光鏡的兩路光路的夾角為90度。
3.一種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量方法，其特征在于 該測(cè)量方法的具體步驟為A.將兩個(gè)卡文迪許扭秤中的一個(gè)設(shè)為參照扭秤，另一個(gè)設(shè)為測(cè)量扭秤；B.通過(guò)萬(wàn)噸級(jí)油輪往返運(yùn)動(dòng)使得兩個(gè)卡文迪許扭秤產(chǎn)生扭動(dòng)；C.通過(guò)參照扭秤確定參考偏轉(zhuǎn)角；通過(guò)光屏確定在參考偏轉(zhuǎn)角下反光鏡的發(fā)射光路產(chǎn)生的實(shí)際干涉點(diǎn)；D.在測(cè)量扭秤扭轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角與參考偏轉(zhuǎn)角相同的狀態(tài)下，通過(guò)光屏確定該狀態(tài)下反光鏡的發(fā)射光路產(chǎn)生的理論干涉點(diǎn)；E.以測(cè)量扭秤上反光鏡的中心為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，確定實(shí)際干涉點(diǎn)的坐標(biāo)值以及理論干涉點(diǎn)的坐標(biāo)值；F.計(jì)算實(shí)際干涉點(diǎn)與原點(diǎn)連成的直線以及理論干涉點(diǎn)與原點(diǎn)連成的直線所構(gòu)成的光路夾角；通過(guò)光路夾角計(jì)算測(cè)量扭秤產(chǎn)生實(shí)際干涉點(diǎn)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角與測(cè)量扭秤產(chǎn)生理論干涉點(diǎn)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角所構(gòu)成的偏轉(zhuǎn)差角；G.通過(guò)偏轉(zhuǎn)差角以及扭秤處于穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程獲得萬(wàn)噸級(jí)油輪產(chǎn)生的交變引力場(chǎng)到達(dá)兩個(gè)卡文迪許扭秤的時(shí)間差；通過(guò)兩個(gè)卡文迪許扭秤之間的距離以及時(shí)間差獲得交變引力場(chǎng)的傳播速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量方法，其特征在于所述步驟C中的參考偏轉(zhuǎn)角為參照扭秤受萬(wàn)噸級(jí)油輪的交變引力場(chǎng)影響而產(chǎn)生的最大偏轉(zhuǎn)角。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種引力場(chǎng)傳播速度的測(cè)量裝置及其方法，包括兩個(gè)放大的卡文迪許扭秤、萬(wàn)噸級(jí)油輪，激光光源、分光計(jì)、反光鏡以及光屏，本發(fā)明利用了卡文迪許實(shí)驗(yàn)裝置原理，通過(guò)將萬(wàn)噸級(jí)油輪作為信源作往返的運(yùn)動(dòng)，信源的引力作用通過(guò)交變引力場(chǎng)到達(dá)兩個(gè)卡文迪許扭秤的時(shí)間不同，用激光干涉法測(cè)量?jī)蓚€(gè)卡文迪許扭秤運(yùn)動(dòng)之間的相位差，并計(jì)算出時(shí)間差，通過(guò)已知的兩個(gè)卡文迪許扭秤之間的距離，最后即可算出交變引力場(chǎng)的傳播速度。通過(guò)本發(fā)明對(duì)引力傳播速度的測(cè)量能夠判斷是否引力傳播速度大于光速。
文檔編號(hào)G01V7/10GK102621589SQ20121006918
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者關(guān)吉萍, 彭濤, 殷業(yè) 申請(qǐng)人:上海師范大學(xué)