5．G 值随时间变化的研究

本世纪初，有一些学者曾对 G 值是一个恒量表示怀疑。1937 年，英国物理学家狄拉克曾提出“大数假说”。他注意到，质子与电子间静电引力与万有引力间的比值

e 2

Gm p me

= 1040

恰与用时间的原子单位表示的宇宙年龄的数量级相符合。狄拉克所选的时间的原子单位为

e2

m c3

后来根据英国-美国物理学家戴森（Dyson，Freeman John 1923～）建议，

改为   η ，其数值约为10−21 秒。

m c 2

如果狄拉克的这一发现不是偶然的，它不仅表明宇宙学与两个长程力

e2

——万有引力与静电力间的基本关系，还表明比值 Gm m 随宇宙的年龄

在增加。狄拉克假设，电子电量、质量和质子质量 e、me 和 mp 是不变的， 这必然导致万有引力常数 G 随时间在减小。

关于 G 随时间减小，还有人从马赫原理处找到依据①。马赫原理指出， 物体的惯性并非自身的属性，它是宇宙中其它一切物质对该物体总引力作用的结果。由于宇宙在膨胀，物质在彼此远离，宇宙中总物质对任意一个局部物质的影响在减小，因而引力常数在减小。该减小率应当与所观测到的宇宙膨胀率有关，根据计算结算，约为（5.6±0.7）×10-11/年。目前要测出如此微弱的变化率只能在漫长的宇宙演化或星球运行中寻找它的影响。为此，有人提出了观测月掩星的方法。在月球环绕地球的运行中，由于月球没有大气折射，能较准确地确定它所掩蚀恒星的时间。如果引力在变弱，月球将缓慢地远离地球，所观测到掩星时刻应当落后于引力不变条件下的理论计算结果。根据原子钟测定的时间，对月球掩星 20 年连续观测的结果，发现月球环绕地球运行周期以（22.2±3.5）×10-11/年的速率在增长，除去地球由于潮汐摩擦、角动量减小，通过月地间引力耦合，使月球远离地球，并使其周期加大的因素外，G 值的减小速度为（3.6±1.8）

×10-11/年。有人认为，这一结果还应计入太阳质量变化的影响，太阳风不断在辐射粒子、电磁辐射、日珥或耀斑等太阳爆发过程，都会使太阳质量不断地减小，然而这些因素所影响到的月地距离增大值仅只是观测结果的 30 分之一。由于月球周期增大所得到的 G 值减小率与宇宙膨胀速率得到的结果有较好的吻合，所以引力常数减小的预言，很有可能在月掩星观测中得到支持。

近年来的理论进展表明，引力常数不是恒量将对物理学的发展产生深远的影响。本世纪 50 年代以来，约旦（Jordan，ErnstPascual 1902～) 就曾根据 G 随时间的变化，建立起一整套引力常数可变的引力理论。在该理论中，变化的引力常数由一个静止质量为零的标量场所代替。后来，布朗斯(Brans,G.)和迪克也建立了类似的引力常数可变的引力理论①，根据布朗斯-狄克的这一标量-张量理论，G 值变化率在(0.007～0.8)×10-11/ 年。1961 年，布里尔(Brill,D.R.)得到了半径为 R 均匀各向同性宇宙情况的约旦引力场方程解，除了利用该解建立了引力常数可变的宇宙模型，并

由它得到了与标准模型相应的预言以外，它还提供了检验 G 值的途径。根据布里尔的结果，由于星体发光度强烈地依赖于 G 值(L∝G7)，随着 G 值的减小，将影响着星体的演化过程，例如星体的年龄在 G 值随时间变化的情况下，将与过去的推算值有很大的差异。迪克等人根据他们的引力理论， 曾计算出若干古老星体的年龄，所得到的结果恰与由哈勃膨胀推算出的宇宙年龄 8×109 年相符。由于 G 值对时间的依赖关系，迪克认为，不仅将由于太阳的温度变化影响地球与月球的温度，还会导致其它的一些地球物理现象发生。例如，随着引力常量的减小，地球连续膨胀，如果引力常量以

△ G/G=3×10-11/年的速率减小，在整个地球历史年代中，赤道将增长 700 千米。迪克甚至认为，非洲与南美大陆的巨大断裂就是这种连续膨胀造成的，这些推论与猜测目前尚未得到进一步的观测证实。

大数假说与 G 值随时间变化对物理学产生的另一方面深刻影响是关于“物质创生”说。宇宙中的核子总数估计为 1080，恰为宇宙年龄 1040 的平方，根据前述的思路，很容易得出，随着宇宙年龄的加大，宇宙中的核子数也在随时间的平方成正比地加大，这一结论恰为狄拉克大数假说中，G 值随时间减小假设的一个重要推论。尽管物理界有不少人对狄拉克的“新物质创生”推论持犹疑态度，大数假说的支持者们却认为，不能由于想象不出新核子在宇宙中的创造方式，而忽略了狄拉克的这一预言。为此，有人提出了“引力屏蔽”理论，为“物质创生”做出解释①。这一理论认为， 致密物体对引力有屏蔽作用，表现为抵抗运动状态变化能力的惯性质量与核子总数成正比，而表现为引力作用强弱的引力质量则只与未被屏蔽的核子数成正比，当引力常量减小时，巨大天体表面层重量减小，随之引起天体膨胀，物质密度减小，屏蔽效应减弱，因而有更多的核子对外界的引力做出贡献，使引力质量加大，表现为天体的核子数在加大，但并不意味着有新物质的创生。由于天体引力屏蔽层表面积随时间的平方增加，表现出的引力质量与核子数也随时间平方加大，这恰好满足了大数假说的要求。尽管大数假说及其推论以及其它人所做的解释都带有猜测的性质，人们还是一致认为，所观测到的事实反映出，自然界尚有某些未知的规律在起作用，有些未知规律的发现将紧密地依赖于对 G 值的研究。