关于旋转体质量问题的一个试探性实验

关于旋转体质量问题的一个试探性实验摘要20世纪40年代，苏联天体物理学家克兹瑞夫在实验中发现了一个“奇怪”的现象旋转中的陀螺仪的质量与陀螺仪的自转方向、角速度有关。当陀螺仪逆时针旋转时，它的质量就会减少，减少的幅度与陀螺仪的质量和自转线速度成正比；而当陀螺仪顺时针旋转时，它的质量却不会减少（1）。深入的研究发现，引起这样不可思议的现象的是一种由旋转体与空间相互作用产生的物质，研究者们把它称作“挠场”。并乐观的把它当作是第五种相互作用。本实验的目的也就是在克兹瑞夫实验的基础上，验证挠场效应的存在性，希望得到旋转体质量的改变甚至测出挠场常数（如果它存在的话）。当然我们也应当适当的考虑由相对论效应引起的质量增加。显然，根据我们日常的经验也可以知道，这样的质量改变即便有也是小的可怜的，根本无法由仪器直接测得。因而本实验利用轻弹簧的形变量，把微小的质量变化转化为线位移（仍然微小得很），再利用多级光杠杆将微小形变量放大进行测量，即可得到实验的结果。关键词旋转体；质量改变；挠场；多级光杠杆；放大WITHREGARDTOTHEISSUEOFAROTATINGBODYMASSEXPLORATORYEXPERIMENTABSTRACTTHE20THCENTURY,40YEARS,THESOVIETUNIONINTHEEXPERIMENTALASTROPHYSICISTKEZIRUIFUFOUNDA“STRANGE“PHENOMENONROTATINGTHEQUALITYANDGYROSCOPEGYROSCOPESROTATIONDIRECTIONOFTHEANGULARVELOCITYWHENTHEGYROSCOPEROTATESCOUNTERCLOCKWISE,ITWILLREDUCETHEQUALITYANDREDUCETHESCOPEANDQUALITYANDTHEGYROSCOPEISPROPORTIONALTOROTATIONSPEEDANDWHENTHEGYROSCOPEROTATESCLOCKWISE,ITSQUALITYHASNOTDIMINISHED【NOTE1】INDEPTHSTUDYFOUNDTHATTHISINCREDIBLEPHENOMENONCAUSEDBYAROTATINGBODYANDSPACEBYTHEINTERACTIONOFTHEMATERIAL,THERESEARCHERSCALLIT“TORSIONFIELD“ANDOPTIMISTICABOUTITASTHEFIFTHINTERACTIONTHEPURPOSEOFTHISSTUDYISBASEDONEXPERIMENTSINKEZIRUIFUTOVERIFYTHEEXISTENCEOFTORSIONFIELDEFFECT,WANTACHANGEANDEVENROTATINGBODYMASSMEASUREDBYTORSIONFIELDCONSTANTSIFITEXISTSOFCOURSE,WESHOULDALSOBEDULYTAKENINTOACCOUNTBYTHERELATIVISTICEFFECTSDUETOMASSINCREASEAPPARENTLY,ACCORDINGTOOURDAILYEXPERIENCECANKNOWTHISEVENIFTHEREISASMALLCHANGEINTHEQUALITYOFTHEPOORSIMPLYCANNOTBEMEASUREDDIRECTLYBYTHEINSTRUMENTINTHISSTUDY,THEUSEOFLIGHTANDTHUSTHESPRINGDEFORMATION,THESMALLQUALITYCHANGEINTOALINEARDISPLACEMENTSTILLVERYSMALL,REUSEOFMULTILEVELOPTICALZOOMLEVERWILLBEASMALLDEFORMATIONMEASUREMENTSCANBEOBTAINEDBYEXPERIMENTALRESULTSKEYWORDSROTATINGBODYQUALITYCHANGESTORSIONFIELDMULTILEVELOPTICALLEVERTOENLARGE挠场相关基于这个实验的理论背景是挠场理论。经过深入的研究，研究者们发现了越来越多的类似旋转体引起并与空间发生相互作用的效应，而这诸多的效应已被俄罗斯、美国的一些实验室包括美国国家航天局所证实。对这些效应的研究包括“真空零点能”和“量子非局域性理论”，也即所谓的“量子纠缠”。在开始试验之前，我们有必要首先简单介绍一下这个理论及其相关情况，以便我们能够对它有一定的认识，同时也不至于对实验的目的及过程产生障碍性的疑问。物质与空间的相互作用当物质旋转起来，搅动周围空间产生涡旋效应，便产生挠场。它是物质与空间相互作用的产物。其强度与旋转体的质量及旋转角速度有关，质量越大、角速度越快的旋转体所产生的挠场越强，与空间的搅动相互作用也就越剧烈。提到物质与空间的相互影响（或者说相互作用），就免不了要说到万有引力相互作用。在四种基本相互作用当中，强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用均是物质（场和粒子）间的相互影响，而这样的影响是相对独立于空间之外的，或者说，这样一类相互作用不依赖于所在空间的情况，全空间的属性也不会反作用于它。而引力场似乎有着更为奇妙的性质。由存在的物质（质量）产生的引力场表面上似乎也仅仅作用于物质，但其更为本质的效应却使得空间也发生了弯曲。这一点已为爱因斯坦在广义相对论中给出了证明。但是，“引力场所造成的空间弯曲是一种静止状态，因此相对论描述的弯曲形状是对称的。”【注】显然，单用这样的引力理论来描述物质对空间的影响，在逻辑上也似乎是不完备的。当然，爱因斯坦随后与嘉当一起对其进行了修正（创立了理论），在考虑旋转效应的情况下，对广义相对论进行了完善。而挠场理论即是描述旋转体与空间相互作用的一套理论。由它得到的一些结论与当前的引力理论是不相矛盾的，也许可以作为思考物质与时空关系的另一个切入点。挠场的性质任何一个自旋的物体都产生挠场，一个永磁体在产生磁场的同时也会产生挠场。俄罗斯和美国的实验研究发现，挠场常数实际比引力常数大倍。510（）挠场不会被任何自然物体所屏蔽，即挠场在自然物质中传播不会损失能量，因此，挠场具有超强的穿透性。（）挠场还是具有记忆能力的信息携带者，如果把挠场源移走以后，在该地点仍保留着空间自旋结构，挠场的影响还会保留在物体上，不会立即消失，除非振动或新挠场接近物体。（）挠场的扭曲是牵一发而动全身的，处于挠场中物质和能量几乎瞬间地相互作用着。实验目的为了能够理清实验思路，把握实验的主旨，我们再一次明确一下实验的目的。本实验不对挠场的效应做深入的讨论，只就克兹瑞夫实验单纯的研究旋转的电机转子质量问题的基本情况，测出挠场常数。（）验证旋转的电枢质量会改变，并且由挠场效应引起的那部分质量减少与旋转方向有关，逆时针旋转时，质量减少；顺时针旋转时质量则不会减少。（）验证当电枢逆时针旋转时，由挠场效应引起的那部分质量减少与电枢角速度大小成正比（电枢静质量不变）。1M（）测出（）中的比例常数（挠场常数）。说明A由于电枢质量不可改变，故本实验只研究由挠场效应引起的那部分质量减少与角速1度的关系；B虽然电枢转速的数量级远小于光速的数量级，但相对论性的质量增加与所研究的质量减少是否为等价无穷小尚未可知，故严格来说，应当考虑相对论效应。C当然，本实验的所有过程是在（或许是假设）挠场效应存在的前提下进行的。实验原理探讨由已知，挠场常数比万有引力常数大倍，故应在数量级510610左右。因而质量的改变量是很难测得的。基于这个情况，本实验的主要思想即是将微小的质量改变转化为线位移（弹簧的形变量充当），再将微小的线位移经由多级光杠杆放大进行测量，最终得到质量的改变、测得挠场常数。设电枢质量为，将其用劲度系数为的轻弹簧悬挂在支架上，如图（）示，弹簧质量1M为（有效质量，一般不等于其静止质量）。S对弹簧下端受力（）11SKGMS质量改变（有正负）后，位移（有正负），（如图（）1DM则111SKDS图（1）（）SKGDS1（32）（31）SKGDM1（）SKGDM11PS当电枢质量减少时，、取负值；当其质量增DS加时，、取正值。1DS（一）不考虑相对论效应此时，电枢质量的改变完全由挠场效应导致的那1DM部分质量减少引起。则，11其中，为转动角速度。故不妨令图（2）（3）1PMD为常数，为比例常数。1M（说明关系式肯定需要修订，其修正项可由实验数据拟合得到，此处，由于1PD是常数，且与有线性关系，故不妨如此假设。）11由（3）（3）两式SKGPM1，SKGMP1又FT2F故SKGPFMD111（3）KFS12FS（为转子转动频率，数值上与转速相等）可见，为计算，需测出，重力加速度（重庆地区可取公认值S1M，实验时，严格起见，应当对进行测量）2/791SMG（二）考虑相对论效应此时，质量的改变由相对论效应引起的质量增加及挠场效应引起的质量减少1DD共同贡献。即D（3）MD1由前所述，PF12对电枢，如图（），由于其质量小（），且分布对称，故不妨认为其密度均匀，、部分可认为均匀圆柱体，其总质量为。1则电枢体密度BLCEAMBLCAM22122214取微元（为微元静质量，是电枢DVM00体积）则微元在旋转过程中，动质量为2001CVDM为真空中光速，为微元绕轴（电枢转轴）作圆周运动的线速度（是微元到转0CRV轴中心的距离）。从而图（3）201CRDM故，电枢在旋转过程中，总体动质量321DMDMDZRCDZRCZRC32022020112020202002020221111ALAEBCCRDDZCRDZCRDDZBLEAM202020202020221111ALACRECRBCRCBLEAM14141424202020021CAECLBCACBLCEA20202022014141418CAECLBCACBLCEAM（3）注意到112112XRNXXXN其中10111NNXNXR故将（3）式中的项按以上带拉格朗日余项的麦克劳林公式展开，并204CX,LA取前三项，从而4020402040202201168161816188CACECLCLBCCBLCEAMBCLECABCLECABLCEA40402020220112818888（3）BCLECABLCEAM2042042211166故，质量的增量（310）2042042211166BCLECABLCEAD显然2DM误差120122044132XCXCXRN（311）602502601315CC将、值代入（3）式DM（312）12204422116PMCBLEABLECAMD再由（3）式FPFCLBLECASGK221612044221得到（313）FKGMFKCBLEABLECAGMS122044221另外，当时，线位移，此时D01SPFFBLECA242204解这个方程得到F或（为电机额定转速）02044228FPCBLECAFF显然，这两种情况在本实验中都是不会发生的。因而，只要观察到有线位移发生，则可以认S为假设可能是成立的，挠场效应存在（当然还要考察数据与理论的相合度）；若无线位移发生，则假设是不成立的。由实验所得数据可以拟合出与的函数关系，进而可以得到与的函数关系，并S1DM计算出的值。这正是实验的第二、第三个目的。需要说明的是，如若所得、的数据能很S好的拟合于第（35）式和第（313）式，这说明假设的表达式（）是与应1P1D具有的形式；否则，这需要由实验数据对其进行修正，而修正项在理论上是可以得到的。现在，对实验数据、的测量做如下交代（取公认值）SK1MF实验内容及相应仪器本实验需要测定的物理量有S、K、M、F。（G取9791M/S）。故分四组实验，分别对其测定。41电枢质量的测定1M仪器电子秤（或物理天平）实验数据记录表1用电子秤测电枢质量记录表1MTABLE1WITHANELECTRONICBALANCEMEASUREDTHEQUALITYOFRECORDFORMARMATURE砝码KG_0NOWEIGHINGTHETOTALMASSOF（KG）11M20312数据处理KGMII_301表11用物理天平测定电枢质量复称法1TABLE11DETERMINATIONOFTHEARMATUREWITHPHYSICALBALANCEQUALITYRECALLEDMETHOD左物右码时；右物左码时。KGM_2KGM_3则。3142轻弹簧劲度系数K的测定。（振动法）如图（4）示，劲度系数K待测的轻弹簧悬挂负载质量为M，则其纵向谐振的周期KCMT02（421）其中，为弹簧自身质量，C为待测参数（常量）。0将（421）式写为（422）MKCT2024令，。则有。2TY024CMKAKB24BXAY从N组值，可以求得A，B值（最小二乘法），从而求出C值。,IX（423）图（4）0C并且C的不确定度为CU2022MUBAUC代（423）式入（421）式可得（424）204TCK其中，的值可由回归直线方程赋值得到，也可由数据记录中抽取。2,TM实验仪器电子秤（或物理天平）、秒表（或数字毫秒计、光电门）、砝码、托盘。数据记录表21弹簧质量及托盘质量的测定。（电子秤）0MTABLE21SPRINGMASSANDTHEDETERMINATIONOFTHEQUALITYPALLETSELECTRONICSCALE砝码。KG_轻弹簧托盘0MMNOWEIGHINGTHETOTALMASSOF（KG）NOWEIGHINGTHETOTALMASSOF（KG）10M1M2230232KGMII_310KGMII_31表22弹簧质量及托盘质量的测定。（物理天平）0MTABLE22SPRINGMASSANDTHEDETERMINATIONOFTHEQUALITYPALLETSPHYSICALSCALE左物右码左物右码0MKG_0MKGL_右物左码右物左码RK00KRL表23不同负载M下振动周期记录表TABLE23,UNDERDIFFERENTLOADVIBRATIONCYCLELOGM柱形弹簧；托盘KG_0KG_NM5STST2S回归直线方程。_CMNK/_注意（1）有些弹簧，到所加负载增到某值M附近时，在上下振动的同时有明显的左右摇摆，这对测量周期很不方便，这时，可在弹簧上端加长一些的吊线即可解决。（2）较好的弹簧是劲度系数不是很大二质量较大的弹簧。K值应在2530N/M左右（3）负载起始值应尽可能小些。（比如的三分之一0M左右或更小），变化范围适当大些，N也应大些。43离散电压值对应电机转速F的测量仪器数字毫秒计及光电门、电源、滑动变阻器、电压表、限流电阻、鳄鱼夹、导线若干、开关。实验原理图（如图5）利用数字毫秒计记录该电压值下的电动机的稳定转速，再多次更换电压值，记录下与其对应的F。实验电路（图（6）实验数据记录_0RVE图（5）表31离散电压值与转速记录表TABLE31DISCRETEVOLTAGEVALUEANDSPEEDRECORDFORMUVFUVFUVFUVFUVF44线位移S的测量。（光杠杆放大法）仪器激光衍射光放大微小长度变化测定仪、电源、滑动变阻器、电压表、限流电阻、鳄鱼夹、导线若干、开关。实验总装置图（图（7）利用弹簧将机器电机悬挂于特制的支座筒内，当电机静止时重力和弹簧弹力平衡。当电机转动起来后，若其质量发生改变，则弹簧的形变量也发生改变，产生线位移S。由于光杠杆的作用，线位移S经过多级放大，最终可由标尺读出来。由此，便可知道在一定的电压（转速）下，产生的线位移S的大小，由先前得到的（关系）结论，分析S和F的数据，便可求出。PDM,1图（6）现对总装置作如下几点说明A多级光杠杆的放大倍数。【注3】其中，N为01022AKBDKLPANN在光杠杆上的反射次数，B为光杠杆前后脚间距，D为反射镜间距B测量前，光杠杆反射镜于调节反射镜不平行，不会影响测量结果。【注4】C电动机在旋转时，不可避免地会剧烈振动，且转动越快这种振动的幅度越大，为避免电动机自身的振动给S的测量引入的误差，特设计了电机所在的空心支座筒，筒呈圆柱形，与电机共轴，其内径比电动机克外径长约02MM，故两者并未接触，不会引入摩擦。当电机因转动二剧烈抖动时，由于其紧靠筒的内壁，故立即会和内壁撞击。因为时间极短，显然可以认为这样的撞击是水平方向上的，来不及发生竖直方向的位移。因而避免了电机的振动给S的测量引入的误差。D支座为重支座，增强了系统在实验过程中的稳定性。图（7）实验步骤（1）、断开开关S，电机静止，此时，打开激光源，调节反光镜，使激光投射到标尺上，记下读数，记下反射次数N。0X（2）、闭合开关，调节滑动变阻器，使电压表的示数为表31中的系列值。此时，在保证N不变的情况下（因为S很小，N一般不会改变）记下此时标尺上的读数（或记下）。IX,I（3）、记录数据，填入表中表41与对应的U记录表。IXS_0XTABLE41ANDTHECORRESPONDINGULOGSUVFUVFUVFUVFUVFIIIIIFAXSXFU,05由实验数据分析S与F的关系得出与W（或F）的关系，求出P。1DM验证目的将电动机正负极反接，观察是否有S，即是否有质量改变，验证目的1。附图支座及电机相关数据（参考）图（）图（）图（）图（）注释注JOURNALYUYE“GHOSTTORSIONFIELD“BIGSCIENCEANDTECHNOLOGYSCIENCEMYSTERY200610P4期刊俞叶幽灵挠场大科技科学之谜200610P4注2JOURNALYUYE“GHOSTTORSIONFIELD“BIGSCIENCEANDTECHNOLOGYSCIENCEMYSTERY200610P6期刊俞叶幽灵挠场大科技科学之谜200610P注推导放大倍数如图（）所示为激光束在反射镜组之间纵向展开，产生光放大。（反射在光杠杆反射镜上进行两次）。设光杠杆微小变化00BTGL望远镜读书024242DDP从图中可以看出，在光杠杆反射镜上每增加一次反射，反射光束就增加1个微小偏角。因此，一般地说，若有N次反射，则有01002242DKNPN故其放大倍数0110/ABKLANK注证明测量前光杠杆反射镜与调节反射镜不平行，不会影响测量结果。图（）设初始如图（）示，光杠杆反射镜与竖直面已