专利名称：一种引力场传播速度的测量装置及其方法
技术领域：
本发明涉及引力传播速度的測量技术，更具体地说是涉及ー种引力场传播速度的測量装置及其方法。
背景技术：
卡文迪许实验告诉我们，有质量的物体相互之间有吸引力，这种吸引カ就是引力。牛顿万有引力理论认为引力的作用是瞬时的，而爱因斯坦的广义相对论认为引力的作用是以引力场的形式传播的，这个传播速度并不是无穷大，而是光速。但是在现有技术中人们并没有在地球上采取任何的方法来测量过引力的传播速度。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供ー种引力场传播速度的測量装置及其方法。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案根据本发明的一方面，提供了ー种引力场传播速度的測量装置，包括两个设于陆地上的卡文迪许扭秤以及设于海面上的万吨级油轮，所述两个卡文迪许扭秤的方位相同，所述两个卡文迪许扭秤设于同一水平线上，所述万吨级油轮作往返运动使得两个卡文迪许扭秤受迫振动，还包括激光光源、分光计、反光镜以及光屏，所述反光镜固设于卡文迪许扭秤的扭丝上，所述反光镜的反射面与卡文迪许扭秤的摆球在同一个平面上；所述分光计至反光镜的距离相等，所述分光计接收激光光源发出的激光信号，并将该激光信号分成两路光路射向反光镜，所述光屏用于检测经反光镜反射的光路的干渉条纹。所述分光计射向反光镜的两路光路的夹角为90度根据本发明的另一方面，还提供了ー种引力场传播速度的測量方法，该测量方法的具体步骤为A.将两个卡文迪许扭秤中的一个设为參照扭秤，另ー个设为测量扭秤；B.通过万吨级油轮往返运动使得两个卡文迪许扭秤产生扭动；C.通过參照扭秤确定參考偏转角；通过光屏确定在參考偏转角下反光镜的发射光路广生的实际干涉点；D.在测量扭秤扭转的偏转角与參考偏转角相同的状态下，通过光屏确定该状态下反光镜的发射光路产生的理论干渉点；E.以测量扭秤上反光镜的中心为原点建立笛卡尔坐标系，确定实际干涉点的坐标值以及理论干渉点的坐标值；F.计算实际干涉点与原点连成的直线以及理论干渉点与原点连成的直线所构成的光路夹角；通过光路夹角计算测量扭秤产生实际干涉点时的偏转角与測量扭秤产生理论干涉点时的偏转角所构成的偏转差角；G.通过偏转差角以及扭秤处于稳定运动状态的运动方程获得万吨级油轮产生的交变引力场到达两个卡文迪许扭秤的时间差；通过两个卡文迪许扭秤之间的距离以及时间差获得交变引力场的传播速度。所述步骤C中的参考偏转角为参照扭秤受万吨级油轮的交变引力场影响而产生的最大偏转角。与现有技术相比，采用本发明的一种引力场传播速度的测量装置及其方法，利用了卡文迪许实验装置原理，通过将万吨级油轮作为信源作往返的运动，信源的引力作用通过交变引力场到达两个卡文迪许扭秤的时间不同，用激光干涉法测量两个卡文迪许扭秤运动之间的相位差，并计算出时间差，通过已知的两个卡文迪许扭秤之间的距离，最后即可算出交变引力场的传播速度。通过本发明对引力传播速度的测量能够判断是否引力传播速度大于光速。
图I是本发明的一种引力场传播速度的测量装置的结构示意图；图2是图I中卡文迪许扭秤的结构示意图；图3是本发明的测量方法的实施例的光路示意图；图4是图3中的测量扭秤以及反射光路的放大示意图；图5是卡文迪许扭秤处于稳定运动状态的振动方程的波形示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。本发明的原理是将卡文迪许实验进行放大，将大质量的球换成一艘在海面上行驶的万吨级油轮，将扭秤和小质量的摆球放大，再增加一个扭秤，并使两个扭秤相距一段很长的距离。油轮的来回行驶使得扭秤上的摆球受到油轮的引力作用会使扭秤来回摆动，由于两扭秤相距一段距离，若引力是有限速度传播的，那么两扭秤的摆动会有一个相位差，即一个时间延迟，两扭秤相距的距离除以这个时间延迟就是弓I力传播的速度。时间延迟可以通过在扭秤的中央放置一块平面镜，利用光干涉法来测。请参阅图I、图2所示的一种引力场传播速度的测量装置，包括两个设于陆地上放大的的第一卡文迪许扭秤11、第二卡文迪许扭秤12以及设于海岸线20外的海面上的万吨级油轮13，两个卡文迪许扭秤的方位相同，两个卡文迪许扭秤11、12设于同一水平线上，万吨级油轮13作折返运动使得两个卡文迪许扭秤11、12摆动，还包括实现光干涉法的激光光源14、分光计15、反光镜16以及光屏17,反光镜16固设于卡文迪许扭秤11、12的扭丝18上，反光镜16的中轴线与扭丝18重合。反光镜16的反射面与卡文迪许扭秤的摆球19在同一个平面上。分光计15至两个反光镜的距离相等，分光计15接收激光光源14发出的激光信号20，并将该激光信号20分成两路光路21、22射向反光镜15，两路光路21、22的夹角为90度，光屏17用于检测经反光镜反射的光路的干涉条纹。本发明中作为信源的万吨级油轮13采用四十万吨级油轮，轮船长380米，宽68米，载重40万吨，时速V= 16节/时=8. 2311m/s ;作为信宿为两个相同的巨型卡文迪许扭秤11、12，卡文迪许扭秤中两个摆球19选择质量为IOOkg的铜球，铜球半径为13. 8657cm,扭丝18采用直径4mm、长IOm的钢丝(切变模量N = Ε/2(1+μ )，以Q235钢为例，μ —般取O. 3，所以其弹性系数K' = O. 20096Nm/rad)。再请参阅图3中所示的实施例,该实施例的具体步骤为将第一卡文迪许扭秤11设为参照扭秤，将第二卡文迪许扭秤12设为测量扭秤。在万吨级油轮13的引力作用下，两个卡文迪许扭秤开始发生偏转，过一段时间后，卡文迪许扭秤的摆动渐渐趋于稳定时，遮住分光计15的一个孔，使得光路22消失，只有光路21，用光屏17寻找光路21偏离水平位置角度最大的光点，来确定光路21偏离的最大方向，并测得最大偏转角作为参考偏转角。分光计15的两个孔都不遮住，光路21和光路22同时存在，让光屏17沿着光路21最大偏离方向移动，寻找最清晰的干涉条纹，并记录下位置作为实际干涉点B。在此需要说明的是，我们以第二卡文迪许扭秤12的中心为原点0，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴建立笛卡尔坐标系，那么实际干涉点B的坐标为(xl，yl)。假设两个卡文迪许扭秤的振动同步，即测量扭秤扭转的偏转角与参考偏转角相同，通过光屏确定该状态下反光镜的发射光路产生的理论干涉点A，理论干涉点A的坐标为(X，y)。由此可以看出，理论干涉点是在没有交变引力场作用下，通过光干涉法获得的干涉点。再请参见在图3、图4所示，其中测量扭秤124为实现实际干涉点B时，第二卡文迪许扭秤的偏转角的位置；测量扭秤123为理论干涉点A时，第二卡文迪许扭秤的偏转角的位置。反射光路23表示实现理论干涉点A时的反射光路，在图中也可以理解为理论干涉点与原点连成的直线；反射光路24表示实现实际干涉点B时的反射光路，在图中也可以理解为实际干涉点与原点连成的直线。反射光路23以及反射光路24构成的光路夹角为Z α。测量扭秤124与测量扭秤123构成的偏转差角为Λ Θ，即图4中的Z 3和Z 4，由此可知Λ Θ=Z 3 =Z 4 将入射的光路22与测量扭秤123的夹角定义为Z 2，将测量扭秤124与反射光路23的夹角定义为Z 1，根据入射光线与反射面(即反光镜16)的夹角等于反射光线与反射面(即反光镜16)的夹角的原理可知Z 2+ Z 4 = Z 1+ Z αZ 2 = Z 1+ Z 3上述两式相减可得Ζ α =Ζ3+Ζ4 = 2Ζ3 = 2Δ θ ;由此可知偏转差角Λ Θ为光路夹角Z α的一半。再请参见图3中由原点O、理论干涉点A以及实际干涉点B形成的三角形中，通过理论干涉点A以及实际干涉点B两个点的位置坐标来计算光路夹角的值，其中
权利要求
1.一种引力场传播速度的测量装置，包括两个设于陆地上的卡文迪许扭秤以及设于海面上的万吨级油轮，所述两个卡文迪许扭秤的方位相同，所述两个卡文迪许扭秤设于同一水平线上，所述万吨级油轮作往返运动使得两个卡文迪许扭秤受迫振动，其特征在于还包括激光光源、分光计、反光镜以及光屏，所述反光镜固设于卡文迪许扭秤的扭丝上，所述反光镜的反射面与卡文迪许扭秤的摆球在同一个平面上；所述分光计至反光镜的距离相等，所述分光计接收激光光源发出的激光信号，并将该激光信号分成两路光路射向反光镜，所述光屏用于检测经反光镜反射的光路的干涉条纹。
2.根据权利要求I所述的测量装置，其特征在于所述分光计射向反光镜的两路光路的夹角为90度。
3.一种引力场传播速度的测量方法，其特征在于 该测量方法的具体步骤为A.将两个卡文迪许扭秤中的一个设为参照扭秤，另一个设为测量扭秤；B.通过万吨级油轮往返运动使得两个卡文迪许扭秤产生扭动；C.通过参照扭秤确定参考偏转角；通过光屏确定在参考偏转角下反光镜的发射光路产生的实际干涉点；D.在测量扭秤扭转的偏转角与参考偏转角相同的状态下，通过光屏确定该状态下反光镜的发射光路产生的理论干涉点；E.以测量扭秤上反光镜的中心为原点建立笛卡尔坐标系，确定实际干涉点的坐标值以及理论干涉点的坐标值；F.计算实际干涉点与原点连成的直线以及理论干涉点与原点连成的直线所构成的光路夹角；通过光路夹角计算测量扭秤产生实际干涉点时的偏转角与测量扭秤产生理论干涉点时的偏转角所构成的偏转差角；G.通过偏转差角以及扭秤处于稳定运动状态的运动方程获得万吨级油轮产生的交变引力场到达两个卡文迪许扭秤的时间差；通过两个卡文迪许扭秤之间的距离以及时间差获得交变引力场的传播速度。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于所述步骤C中的参考偏转角为参照扭秤受万吨级油轮的交变引力场影响而产生的最大偏转角。
全文摘要
本发明公开了一种引力场传播速度的测量装置及其方法，包括两个放大的卡文迪许扭秤、万吨级油轮，激光光源、分光计、反光镜以及光屏，本发明利用了卡文迪许实验装置原理，通过将万吨级油轮作为信源作往返的运动，信源的引力作用通过交变引力场到达两个卡文迪许扭秤的时间不同，用激光干涉法测量两个卡文迪许扭秤运动之间的相位差，并计算出时间差，通过已知的两个卡文迪许扭秤之间的距离，最后即可算出交变引力场的传播速度。通过本发明对引力传播速度的测量能够判断是否引力传播速度大于光速。
文档编号G01V7/10GK102621589SQ20121006918
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者关吉萍, 彭涛, 殷业 申请人:上海师范大学