宏观旋转物体等效原理检验中陀螺旋转的影响

摘要

等效原理是爱因斯坦的广义相对论的一个基本假设，人们已经采用多种方法对等效原理进行实验检验。地面旋转扭秤法和地月测距方法在10-13精度内验证弱等效原理依然成立。但就宏观旋转物体等效原理而言，到目前为止还是一个开放的课题。本实验室首次用自由落体激光干涉法检验了宏观旋转物体等效原理，实验精度达到10-7。实验主要受到陀螺内部摩擦耦合的影响，这可通过延长宏观旋转物体自由下落时间来减小陀螺内摩擦影响，随后课题组提出采用宏观旋转物体等效原理的扭秤方案实验检验。本文正是在这一课题背景基础上，开展宏观旋转物体等效原理预先研究，主要开展陀螺旋转对实验的影响研究，所做的工作概括如下：（1）对宏观旋转物体等效原理的扭秤方案进行了详细的理论分析，着重阐述了旋转地球对旋转陀螺的科氏力作用对扭秤系统的影响，并提出了用平衡摆锤产生重力回复力矩的方法来减小科氏力矩对实验的影响。（2）对旋转陀螺外部空间磁场进行了具体的测量，根据磁场的方向与大小可以将其等效为通电矩形线圈产生的磁场。通过计算可知，旋转陀螺产生的磁场与外界磁场相互作用对扭秤系统的影响有两部分，一是沿悬丝方向的力矩，最大为，一是垂直于悬丝方向的力矩，最大为，并且这两个力矩均以与陀螺旋转相同的频率变化。（3）利用光学原理测量旋转陀螺角速度随时间的衰减，根据角动量定理，可计算出陀螺转子与定子之间的摩擦力矩。实验结果表明，该摩擦力矩正比于陀螺的角速度，当陀螺旋转的角速度达到17000rpm时，陀螺内部摩擦力矩达到10-4Nm，相对于检验效应为10-12Nm而言，这一大小对宏观旋转物体等效原理检验扭秤方案的预期精度给出了严格限制。本研究工作先后得到国家自然科学基金项目（10205005），973计划子课题（2003CB716304）的资助。