经典引力理论的核心是牛顿第二定律和万有引力公式。由这两个公式出发得到: 物体在另一物体的引力场中运动时其能量(动能)变化和角动量变化分别是

 (1)

(2)

这里N代表牛顿。由这两个式子得到行星绕太阳作椭园运动。这与人们早期观察一致。

19世记末, 人们观察到行星椭园运动的长轴不断移动(或近日点不断移动)。这是牛顿理论所不能解释的。随后人们根据爱因斯坦建议观察星光通过太阳附近时受到太阳吸引而产生的偏折角。由上述两个式子也能得到光的偏折。但求出的预期值只是实验值的一半。到此为止牛顿引力理论完全被否定。

后来人们观察到从太阳发出的光谱线到达地面时频率减少了(红移)

(3)

根据爱因斯坦假定, 光子能量与频率存在关系, 所以这上式的另外形式是

(4)

这一式子是光子从(太阳表面) 运动到(地球表面)时的能量变化, 它正是(1)式。从行星近日点移动和光的偏折得出三种可能: (i) 是错的; (ii) 是错的: (iii) 两者都错了。光的红移得出: 没错。三个经典相对论引力实验的结论只能是没错, 是错的。所以现在的问题集中在两点: (i) 能不能找到一个正确的,它与联立统一解释行星近日点移和光的偏折, (ii) 找出这样一组方程的 “源头”。第一个问题并不是很难, (1)式可以看作描述物体运动的的相对变化率与两点的场量差相关, 那么描述物体运动的另一个量的相对变化率也应与相关。由于很小, 所以只考虑线性相关项。这样问题缩小为能否找到一个, 使得

(6)

(7)

能解释行星近日点移动和光偏振。能, 。这是我对三个经典相对论引力实验结果的分析。

广义相对论认为: 一个物体使周围时空弯曲, 另一物体在弯曲时空中沿最短程线运动这就是引力实质。由广义相对论由基本方程出发导出

(8)

(9)

这组方程不但解释了行星近日点的移动, 而且由它导出的光偏折角被后来实验所证实。 爱因斯坦一举打败牛顿, 成为科学圣殿里的神。然而随后的光的红移实验结果却令人迷服。虽然爱因斯坦用势场中不同点时间间隔不同解释频率变化, 却无论如何不能说明能量变化。爱因斯坦太伟大了, 没人敢提出怀疑, 只是在寻找一种能够协调这个矛盾的方案。直到近几, 年美国Stanford大学引力研究小组才正式承认广义相对论只得到 “两个半实验”的支持。既然光红移实验直接否定(8)式, 那么由(8)、(9)两个式子联立作出的关于行星近日点移动和光偏折的解释就是非本质的。或者人们可以这样讲, 关于行星近日点移动和光偏折有两种(也许还有其他种)出发点不同的解释, 一种是联立方程(6)、(7), 另一种是联立方程(8)、(9)式, 最后由光红移实验判定那种出发点是真实的。因此, 人们不能讲行星近日点移动和光偏折两个实验支持广义相对论, 真正支持广义相对论的只有半个实验。当然广义相对论是在光偏折和光红移实验之前提出的, 出现理论与实验矛盾是正常的。上面得出(6)、(7)式是 “马后炮”。但无论如何, 人们应根据新的实验事实修正理论认识。问题是人们在这个方向上走得太远, 整个宇宙学都建立在弯曲时空观点基础上, 这样改也很困难, 无疑这会是一场大地震。

这里还须要回答联立方程(6)、(7)是怎样导出的? 也就是它的根据是什么? 1990年我们在平直时空(Minkowski时空)基础上建立一个新的引力理论。这个理论的两个基本假定是: (i)引力质量等于惯性质量; (ii)引力场张量势方程(线性近似)是

(10)

这个方程是根据牛顿引力势和场方程式应在所有惯性系中具有相同形式这两点提出的。由这两个基本假定得到: 在静止球体产生的引力场中, 物体所受的引力是

(11)

这个式子的第一项就是牛顿万有引力, 第二项是附加引力。当受作用物体的速度比光速c小得多时, 则只有牛顿引力起作用。附加引力方向与受作用物体速度正交, 因此物体移动时附加引力不作功, 只有牛顿力作功。其次附加引力不是有心力, 因此它使物体的角动量发生变化, 但是当物体走完一周回到时, 角动量改变量也为零。这样解释了(6),(7)式的由来。

两个在运动状态下的电荷, 除了通过电场的作用外, 还存在着通过磁场的作用。 那么两个运动质点之间有没有通过类似于磁场那样的引力场进行作用呢? 这点在实验上尚未进行观察。美国Stanford大学从六十年代起开始准备做这个实验。他们准备在一个围绕地球运动的卫星上安放4个旋转陀螺, 在卫星静止坐标系上看来, 地球绕卫星运动。运动地球所产生的类磁引力场将使陀螺进动。此外地球自转也产生另一种类磁引力场, 引起另一种陀螺进动。不同引力理论预期的陀螺进动角加速度不同。

我们得出轨道效应角加速度是

(12)

广义相对论得出轨道效应(短程线效应)角加速度是

(13)

对应的进动率分别是4.4弧度/秒年和6.6弧度秒/年。

广义相对论得出的地球自转效应(坐标拖曳效应)进动率是0.042弧度秒/年。我们理论的预期值是0.042弧度秒/年。是陀螺转动轴在赤道平面上的方向角。广义相对论预期这个进动率与陀螺方向角无关, 而我们则预期它与方向角有关, 这个区别是非常重要的。上面两种进动率是判定时空性质的标准。

我直接与这个实验负责人Everitt教授联系, 指出:(i)根据上面三个经典相对论引力实验可以直接推出:轨道效应进动率正是我们预期值; (ii)广义相对论预期地球自转效应进动率与方向无关, 所以认为不必测量。如果轨道效应进动率实验值是我们预期值, 则人们是会认真考虑我们对地球自转效应进动率的分析。我们得出这个进动率与有关, 不测量, 只测量地球自转效应进动率, 这种测量就没有意义, 所以目前实验安排不合理。原来的安排是把4个陀螺旋转轴放在同一方向上, 用同一瞄准器对准同一方向。最好的方法是把它们分为两组, 分别用两个瞄准器瞄对准两个方向。这对于判定时空性质极为重要。但这样一来要改动卫星内部结构, 这是很困难的。

这个实验现改在明年秋天在加州某一空军基地发射人造卫星空中实验时间为18-24个月。