重力异常毕业论文

重力异常毕业论文

爱因斯坦的广义相对论预言：引力波的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波，在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低，引力波穿透性极强，地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等。引力波是波动形式和有限速度传播的引力场。

爱因斯坦虽然在1916年曾预言加速的质量可能有引力波存在，但他提出的引力波与坐标的选取有关，在某一个参考系看来，引力波可能有能量，而换一个参考系可能就没有。因此在提出引力波存在的初期，包括爱因斯坦本人在内的大多数人对引力波都持怀疑态度。1956年，皮拉尼提出一个与坐标系选取无关的引力波定义；1957年，邦迪进而从理论上证明与坐标系选取无关的平面引力波的存在。1959年，邦迪、皮拉尼和罗宾森更进一步证明，静止物体在引力波脉冲作用下会产生运动，于是间接地证明引力波携带能量，并可被探测到。由于引力辐射极其微弱，目前还不能在实验室里发射可供探测的引力波，而大质量天体的激烈运动，比如双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。

多年来，各国科学家都在致力于探测引力波，美国马里兰大学的科学家韦伯首创用一根铝棒作为天线进行探测，并声称探测到了不能排除是引力波的信号，但其他科学家都没有得到这一结果，韦伯的结论没有得到公认。现在对引力波的研究方兴未艾，反引力或称反重力研究又提上了日程，这项研究可能获得的成果或许将彻底实现人类实现恒星际航行的梦想，科学家值得为这项研究投入毕生的精力和才华。中国科学家在这方面已经做了有价值的实验和研究。

自从英国科幻小说作者威尔斯描述了“反重力”（能够屏蔽重力影响，使宇宙飞船飞向月球）后，反重力已经成为人类一个多世纪的梦想。如果反重力是确实存在的，它必将改变整个世界。汽车、火车、轮船，所有你能想到的交通系统，都能通过从引力场中获取的能量驱动。这一会改变世界科学界和航空航天界禁忌的反重力研究，目前再次受到人们的关注，因为有消息说世界上最大的飞机制造商波音公司正在探索一些新概念，这些新概念可能在将来某一天彻底改变一个世纪来的推进技术。

波音公司进行的反重力研究概括起来就是该公司一个名为“先进空间推进技术重力研究（Grasp）”的项目。《简氏防务周刊》获得的一份有关文件阐述了波音公司认为该项目获得成功的重大意义。文件中写道：“如果反重力是确实存在的，它必将改变整个航空航天事业。”这种评价可能还不够。如果反重力是确实存在的，它必将改变整个世界。汽车、火车、轮船，所有你能想到的交通系统，都能通过“无推进剂推进”———一种从重力场中获取能量的模式来驱动。

尽管，反重力是人们一个美好的梦想，但是传统科学长期认为，反重力是不可能的。1992年4月，已故的英国索尔福德大学教授、当时担任英国航天防御系统战略项目负责人的布赖恩·扬在伦敦机械工程师学会发表演讲，他在演讲中解释了为什么进行反重力研究与航空航天业乃至世界都有关。“Grasp”简报说明了波音公司为什么必须雇佣俄罗斯材料专家叶夫根尼·波德克列特诺夫的原因。波德克列特诺夫声称发明了可以屏蔽重力影响的装置。

1992年，任职于芬兰坦佩雷技术大学的波德克列特诺夫向一家英国物理学杂志提交了一篇论文，他描述了被置于高速旋转的超导体（极低温度时失去电阻）上面的一个物体如何失去将近2％的重量。这篇论文泄漏给了一家报纸。一来因为它涉及禁忌的“反重力”概念，二来因为它在主流物理界掀起了轩然大波，波德克列特诺夫被学校开除了。但这位俄罗斯人的研究吸引了美国国家航空航天局的注意，该局早已同亨茨维尔亚拉巴马大学的一位研究员有联系，这位研究员宣称她能制造出一种类重力场，能够利用高速旋转超导体排斥或吸引物体。

在20世纪90年代中期，位于亚拉巴马州的美国国家航空航天局马歇尔航天中心在重复波德克列特诺夫的实验时失败了。但是，该中心承认，不知道这位俄罗斯人制作超导盘的独特方法，它在很大程度上是在盲目地进行研究。

几年前，美国国家航空航天局向俄亥俄州哥伦布超导元件公司支付60万美元，制造波德克列特诺夫曾使用过的装置，并且聘请了这位俄罗斯人做顾问。这项实验虽然被延期了，但该项实验的负责人罗恩·科措尔自信实验可以完成。现任职于莫斯科化学研究中心的波德克列特诺夫，进一步发展了自己的思想。他同意大利科学家乔瓦尼·莫达内塞联合发表了一篇论文，详细介绍了一种“冲量重力发生器”的研究工作，它能对所有物体产生一种斥力。该设备使用一个强放电源“发射器”和一个超导“发射器”，制造出了一种“重力冲量”。波德克列特诺夫说：“时间很短，沿着放电的线路以极快的速度（实际上是瞬时）进行传播，经过许多不同物体，没有任何显著的能量损失。”他说，实验结果是对光束击中的任何物体都产生了推力作用，大小同物体质量成正比。波德克列特诺夫在调整一个激光瞄准装置时说，他的实验装置已经显示有能力击倒1公里外的物体，他声称，这一装置用同样的能量可以击倒200公里外的物体。正是波德克列特诺夫的“冲量重力发生器”的研究工作引起了波音公司的注意。在那份“Grasp”简报中，波音公司描述了该装置发出的光束如何不受任何电磁屏蔽影响，可以穿透任何物体而达到目标。

《从电场到重力场比较的反重力可能胜》（论文）

重力囚困了我们的飞翔，但给了我们生物圈一个完整的实在。鱼生活在水中，我们生活在大气圈内；表面上看我们更自由，实际上两者差别不大。如果将鸟类比喻成可在大海畅游的鱼，那么我们只是沉在水底爬行的底栖生命；所以我们渴望飞翔的愿望更强烈。

当我们制造出飞机升向太空的宇宙飞船，超越了地球上所有生命可自由意志的能力，可还是有深深的遗憾：一是伴随我们飞行有巨大危险性；飞行一旦出现意外，自由落体就会到来。二是程序的烦索性，我们不能以个体实现随时说飞就飞的意志自由。三是每次飞起来，我们必须先计算花费金钱的代价，资金不够是飞不起来的。我们希望飞行能达到吨公里两个馒头的代价，或者完全免费最好。所以不断有人提出反重力飞行概念。

一、重力场与电场比较

地球表面空间重力效应的必然出现，我们可以视为与电场类似的场环境。但地球大气圈层与大海一样，重力场上叠加着浮力环境；所以有一类飞行器是以浮力抵消重力，以低成本实现飞行在大气圈层空间，如飞艇。另一类是靠物体特殊形状与水和大气在运动速度差，产生升力效应，如飞机、鸟的翅膀，海里的飞鱼。而反重力是想消失重力发生，也就是违反万有引力，以实性可控逃离。

与地球重力环境最相近描述是氢原子模型，其电场可与重力场比较。电子带负电被囚困在氢原子核质子的正电场中，电子会受到能量激发跃迁；还有是形成等离子体时，电子与核就自由分离了。在正常情况下，电子被囚困原子核电场中，带着宏观思维介入幻想一下，如果对电子设计一个壳加载上去，屏蔽了电场作用，电子就逃逸了电场约束，实现了反电场力。遗憾的是电子是处于量子态，技术上无法实现；但在宏观屏蔽电场是轻而易举的事情，如两个极板间加载电压形成电场，放入带负电小球受电场约束，类似重力场环境，可以给小球加上金属罩屏蔽电场，金属形成等势体，小球就不再受外电场作用。如果屏蔽了一个物体周围重力场呢？虽然现在怎么看都不可能，但不能阻挡去幻想和 探索 。

我们用场线表示场的状态，电子周围是向心场线，质子是远心场线；异性相吸是质子场线终于电子场线，表示两者场的形态变化而发生了力的作用。重力场线都是向心的，万有引力作用完全类同于两个电子的同性排斥场线。用重力场线描述物体间引力，明显很不一般，表明和电场有相反的规律。如果将质子也用向心场线描述，电子围绕原子核的场线状态就和引力场相同了，但两电子或两质子斥力场线和异性相吸场线就无法区分了。但万有引力和库仑力公式如此相似，引力场完全可以看成库仑力场脱化后异性相吸的弱力场存在。也就是原子以分子紧密压缩成物体后，电场中异性相吸残留为弱作用，宏现表现出来；或者是吸引与排斥都残留，而吸引胜出，斥力被更多保存在物质内部，维持结构稳定，以免被压缩成中子体。

当然这是个探讨性假设，等离子体既不引力占优，也不斥力占优；但还原为常规分子结构后，内部斥力占优，因为其抗压性远大于抗拉性；而物体外部就表现为引力场显示。根据此提出假设，宇宙元初是一团能量爆胀，直至原子形成后，结合形成物体结构时万有引力才显示出来，所以万有引力不是凭空出现，也不是本质属性；但我们描述上好象遇到困难更大，万有引力场线与电磁场线不相配套。残留的异性相吸，在万有引力上场线却描述为电场的异性相斥模型，很诡异，耐人寻味。

二、反重力可能性

要实现反重力可能，无非是减弱或屏蔽小物体自身的引力场。

1减弱发生可能：旋转的物体因自身角动量状态可抗拒引力分布。从陀螺转动上分析，转动物体成功约束了重力在物体内应力中重新分布，被集中在轴线上以内应力传导表现。如水平转动陀螺不倒且重力不变，表现在轴线接触点上。

如果转动体是个薄壁空腔球体呢？如足球，你看到过香蕉球诡异飞行轨迹吗？当然主要是空气流体作用，不过其质量表现在过程中却似忽不稳定。设想一个薄壁空腔球体在真空中高速转动，其自身有膨胀需求，而内部如果我们以电磁力约束抵消膨胀，以免破损；外壁空间其自身的引力场很有可能会向内收缩，减小强度表现。如果真这样就等于减少了引力作用发生。

2、屏蔽作用：假设引力场能看成电磁场的收缩残留，就可以在物体外部，重新分布电磁场，以达到屏蔽物体自身引力场作用。

当然需要多大强度电磁场，或者电磁场以什么样方式，如旋转，达到干扰小物体引力场效应才能实现，现在还没有确切方法。如果能让引力线产生磁力线自身闭环效应，应该是最为理想。人们当下公认引力可穿透一切障碍物，如密闭腔内物体具有一样重量，所以重点不是屏蔽地球重力场，而是小物体自身引力场。这里需要指出的是：引力场不在小物体内部，在其外部；静止物体好象内部存在引力场是认识错误，实际是内应力表现；地球内部不是引力场场所，向深度方向压力增加，是内应力叠加传导形成。自由落体物体的内应力，是其自身的结构应力，重力对其不发生叠加作用。但静止于地表，则场通过物体内应力向下叠加传导。

虽然反重力还没有成熟方法，但一些公开出来的试验，表现出值得去进一步 探索 苗头。宇宙处处皆为能量结构，以某种方式人类实现能量自由，非常值得 探索 。但不能轻言推翻了能量守恒，宇宙总能量绝对值是守恒的，熵增让宇宙Q/V=E在下降；但人类从发现利用火，到蒸汽机，再到电磁能、核能利用，每一步都象打破能量守恒，却都是发现了利用能量新方法而已。反重力也是如此：一个物体自由落体到地面，其场的内能转化为热能耗散了；若是实现了反重力，又回到来处，其不是打破了能量守恒？其实完全不必担心，如果实现了物体自身引力场屏蔽，是要付出能量消耗的，所追求的不过是消耗能量方式不同，在地表预处理后比现代火箭发射要简单方便罢了，就省去了用能量推升能量存贮装置，也省去了巨大能量存贮装置制造，实现了来去自由性。

三、万有引力本质探源

重力，推广到宇宙就是广泛的万有引力，人们一直奇怪它的神秘存在，牛顿将其归结为质量根源，爱因斯坦将其归为质量引发的时空弯曲。我认为其与质量处于无关状态，相关是质量合并过程中形成统一引力场时才相关，过程结束与质量就不再相关。宇宙中两颗引力场不叠加的星球，各自带有自身物质质量合并后形成的引力场，引力场是物质体的空间一部分；当两者相遇，先发生的是引力场合并，直到星球质量合并完成后，两个引力场也完全合并一体而结束，场能转化为巨大热能被耗散；如果要再分开为两个星球，需要同样的热能再吸收转化，但熵增已让进程很难再回转。这就是宏观引力场受熵增约束的状态，进程逆转难于正向发生。

最后强调的是，万有引力场形成，是电磁内能环境收缩，即电磁场合并生成热能耗散后，物体外空间残留的电荷场吸引力环境形成引力场，这个假设可能是正确的。因为分析了万有引力，没有引力源相关，质量也非直接相关，它不具有电荷的荷功能，而宇宙中能量守恒和熵增进程，也不支持什么凭空出现；最相关紧密的只可能是物体内电场空间上收缩发生过程导致的。而质量，恰恰正是物体内原子数量的别称，对应着微观电荷所带电场合并总数量。中子星和黑洞具有异常的引力强度，正好证明电场收缩程度激烈，所引发残留强度愈加数模级别高，引力场强在物体表面强度愈高。这就证明了万有引力场的来源。

重力异常的意义

1.重力异常概念

如上所述，地下物质密度分布不均匀引起重力随空间位置的变化。在重力勘探中，将由于地下岩石、矿物密度分布不均匀所引起的重力变化，或地质体与围岩密度的差异引起的重力变化，称为重力异常。还可以从不同的角度来定义重力异常。

实际上，观测的重力值中，包含了重力正常值及重力异常值两个部分。将实测重力值减去该点的正常值，也能够得到重力异常。因此，某点的重力异常也可以定义为该点的实测重力值与由正常重力公式计算出的正常重力值之差，即：

航空重力勘探理论方法及应用

式中的g为测点上的实测重力值；γ为该点上的正常重力值。由于测点不一定在正常椭球面上，因此不一定正好是上一节所说的正常重力值。

在重力勘探中不是根据一个点上的重力异常值的大小（也不可能只根据一个点的值），而是根据一条测线上或一块面积上的重力异常进行研究，这时关注的是一条测线或一定面积上的重力异常变化。当重力异常变化值不为零时，习惯上说有重力异常。在一条测线或一块面积上以某一点的重力值作为正常值，而以其他测点的重力值与之比较得到的差值称为相对重力异常。

下面说明重力异常的含义及实质。

2.重力异常与剩余质量引力的关系

若在大地水准面上的A点进行观测，令地下岩石的密度均匀分布且都为σ0时，其正常重力为gφ。当A点附近的地下有一个密度为σ的地质体存在，且其体积为v时，这个地质体相对于四周围岩便有一个剩余密度Δσ（图2-3-1），其大小为Δσ＝σ－σ0。

图2-3-1 重力异常与剩余质量引力的关系

图2-3-2 地质体重力异常的计算

该地质体相对而言于围岩的剩余质量为Δσ·v。当σ＞σ0时，则剩余密度Δσ为正，称地质体是“密度过剩”的，引起正的重力异常；当σ＜σ0时，则剩余密度Δσ为负，称地质体是“密度亏损”的，并引起负的重力异常。若令这个地质体在A点引起的引力为F，则在A点的重力g应为gφ与F之和。由图2-3-1可以看出，由于gφ的值达107g.u.的量级，而F的值最大仅达103g.u.量级，所以g与gφ两者的方向相差甚微，因而在A点的重力异常为：

航空重力勘探理论方法及应用

式中的θ为地质体剩余质量所引起的引力F和重力g之间的夹角。

可见，在重力勘探中所称的由某个地质体引起的重力异常，就是地质体的剩余质量所产生的引力在重力方向或者铅垂方向的分量。因此，重力异常实质上就是引力异常。如果有多个地质体存在，在一个测点处的重力异常就是各个地质体在这个测点引起的引力异常在铅垂方向的叠加。

3.计算重力异常的基本公式

计算某个地质体所引起的重力异常，可以首先根据牛顿万有引力公式计算地质体的剩余质量所引起的引力位，然后再求出引力位沿重力方向的导数，便得到重力异常。

以地面上某一点0作为坐标原点，Z轴铅垂向下，即沿重力方向，X、Y轴在水平面内，见图2-3-2。

若地质体与围岩的密度差（即剩余密度）为σ，地质体内某一体积元v=dξdηdζ，其坐标为（ξ，η，ζ），它的剩余质量为dm，则：

航空重力勘探理论方法及应用

令计算点A的坐标为（x,y,z），剩余质量元到A点的距离为：

航空重力勘探理论方法及应用

则地质体的剩余质量对A点的单位质量所产生的引力位为：

航空重力勘探理论方法及应用

式中：v为地质体的体积。

因为选择的Z的方向就是重力的方向，所以重力异常就是剩余质量的引力位沿Z方向的导数，即：

航空重力勘探理论方法及应用

如果地质体的形状和埋藏深度沿某个水平方向均无变化，且沿该方向是无限延伸的，这样的地质体称为二度地质体。如将（2-3-9）式中的Y轴方向选作为二度地质体的延伸方向，η的积分限由－∞到＋∞，并令y=0，就可得到在沿X方向剖面上计算二度体重力异常的基本公式。当剩余密度是均匀的时，则可提到积分符号之外，即有：

航空重力勘探理论方法及应用

式中：S为二度体的横截面积。

我们还可以推导出计算重力异常垂向梯度或重力垂向梯度异常的基本公式，为：

航空重力勘探理论方法及应用

计算重力异常水平梯度或重力水平梯度异常的基本公式为：

航空重力勘探理论方法及应用

计算重力异常垂向二次导数或重力二次导数的基本公式为：

航空重力勘探理论方法及应用

重力异常与计算重力异常的基本公式

1.重力异常

重力异常是从引起重力变化的多种因素中，消除正常重力部分，从而获得与围岩密度不同的地质体所引起的重力值。在重力勘探中，将由于地下岩石、矿物密度分布不均匀所引起的重力变化称为重力异常。然而，在地球内部的研究中，广义来说，即为地面测量的重力值与按照式（7-37）、式（7-38）计算所得理论重力的差值称为重力异常，即

∆g=g—γ （7-40）

式中：g为测点上的实测重力值；γ为该点上的正常重力值，由于测点不一定在正常椭球面上，因此不一定恰为正常重力值gφ。

由于在重力勘探和地球内部结构研究中并不是仅仅根据个别点上的重力异常值的大小，而是依据一条测线上或一块面积上的数据。这时感兴趣的是一条测线或一定面积上的重力异常变化值。当其重力异常不大或与研究的地质体无关时，习惯上说没有重力异常。这种以某一基点的重力值作为正常值，而以其他测点的重力值与之比较得到的差值称为相对重力异常值的做法已在找矿方面广泛应用。

2.重力异常与剩余质量引力

重力勘探中的重力异常：若在大地水准面上的某一A点进行观测，并设地下岩石的密度均匀分布且都为σ0时，其正常的重力为gφ，当A点附近的地下有一个密度为σ的地质体存在，且其体积为V时，这个地质体相对于围岩便有一个剩余密度∆σ，其大小为

∆σ=σ—σ0

该地质体相对于围岩的剩余质量则为（∆σ·V）。若令它在A点产生的引力为F，则在A点的重力g应为gφ与F之和。由于gφ值达107g.u.的量级，而F值最大仅达103g.u.量级，所以g与ge两者的方向相差甚微，因而在A点的重力异常为

∆g=g—gφ=F·cosθ

式中的θ为地质体剩余质量所产生的引力F与重力g之间的夹角。

在重力勘探中所称的重力异常，即为地质体的剩余质量所产生的引力在重力方向的分量。若地质体的密度小于围岩的密度，则剩余密度为负值，剩余质量也为负值，当然，其重力异常也是负值。

基本公式：以地面上某一点O作为坐标原点，Z轴铅垂向下（即沿重力方向），X、Y轴在水平面内。若地质体与围岩的密度差（即剩余密度）为σ，地质体内某一体积元dv=dζdηdζ，其坐标为（ζ，η，ζ），它的剩余质量为dm，则

dm=σdv=σdζdηdζ

设计算点A的坐标为（x，y，z），剩余质量元到A点的距离为R：

固体地球物理学概论

由重力位可知，地质体的剩余质量在A点处对单位质量所产生的引力位为

固体地球物理学概论

式中v为地质体的体积。因为选择z的方向就是重力的方向，所以重力异常就是剩余质量的引力位沿z方向的导数，即

固体地球物理学概论

如果地质体的形状和埋藏深度沿水平方向均无变化，且沿该方向无限延伸，此时的地质体称为二度地质体。将式（7-42）中的Y轴方向作为二度地质体的延伸方向，η的积分限由—∞到+∞，令y=0，则可得到沿X方向剖面上计算二度体重力异常的基本公式，当剩余密度为均匀时，则可提到积分符号之外，即

固体地球物理学概论

式中S为二度体的横截面积。

同时还可以推导出计算重力异常垂向梯度或重力垂向梯度异常的基本公式：

固体地球物理学概论

计算重力异常水平梯度或重力水平梯度异常的基本公式：

固体地球物理学概论

固体地球物理学概论

计算重力异常垂向二阶导数或重力垂向二阶导数异常的基本公式：

固体地球物理学概论