今年（指1981年——译者）是杰出的英国实验物理学家卡文迪什诞生250周年。卡文迪什曾首次以实验测定了两个质量的万有引力，在误差百分之几的精度下确定了牛顿万有引力常数。本文试图回顾从卡文迪什到现在引力实验发展的历史，并展望今后十年里它的未来。
众所周知，引力相互作用是很微弱的。因此，要对引力效应进行新的、更精确的测定是个非常复杂的问题。这也就是在实验物理发展史上只有很少几次重复卡文迪什所做工作的主要原因。引力研究史可以大致划分为两个“时期”，从十八世纪牛顿的实验开始的第一时期，基本上是验证等价性原理（即物体的惯性质量和引力质量相等）以及点质量的引力与距离的平方反比关系。从1919年开始（当时首次进行了测定光线在太阳引力场中的偏转的实验）的第二时期的特点是纯粹相对论性引力实验（如研究谱线位移，电磁波在引力场中的偏转等）的发展，它们实质上都是用来验证广义相对论推论的正确性的。
等价性原理的验证
直到二十世纪八十年代初，引力研究者们取得了什么成果呢？尽管实验难度大，但在世界上许多实验室里曾系统地开展了验证等价性原理的实验。
目前已在误差1 · 10-12范围内确定了，任何物体的惯性质量和引力质量之比为1。还表明了，行星由于它自身的引力场而引起的附加质量（引力亏损）同样遵从等价性原理，其相对误差约1.5%（J. 维里盎斯，И. 沙巴洛等，1976）。在距离103厘米时，在误差1%的范围内引力满足牛顿定律的平方反比关系（B. И. 巴诺夫，B. H. 伏龙托夫，1978）。在实验室条件下验证等价性原理的简明历史见表1，其中列举的实验均是在地面上对普通宏观物体进行的。但应补充说明，惯性质量和引力质量相等的正确性不仅对普通物体，而且还对自由中子（L. 凯斯特，1976）进行过检验，在相对误差小于3×10-4范围内没有发现不成立。
相对论引力实验的成就
验证广义相对论预言所进行的纯粹相对论引力实验是由A. 爱丁顿为首的一组实验物理学家们开始的。原来，光线经过太阳附近时将改变自己的方向，这一偏转已被科学家们于日蚀时成功地测得。根据广义相对论，这一偏角应为1.75″（在牛顿理论中这一效应要小一半），实验的结果（1.98″±0.24″）实质性地证实了广义相对论的预言。此后的一系列在光波段进行的类似实验未给所得结果带来修正。
测量这一效应在精确度上的实质性跃进发生在1969年，当时第一次开始记录无线电波（而不是光波）的偏转。所应用的无线电波源是明亮的天体3c279。在进一步提高测量精度时应用了一组分布在几百公里范围内同步工作的射电望远镜。1969年完成的实验，其误差约8%（以1.75″为100%）。从1969年到1976年在一些实验室里曾重复进行了12次实验，由于改进了在射电望远镜上的记录方法，1976年测量误差下降到1%（E. 弗马隆特，R. 什拉迈克）。在测量误差范围内仍未发现与广义相对论的预言有偏离。
测量电磁脉冲在太阳引力场中的迟滞现象的实验曾成功地获得了更高的精度。这一效应（它与电磁波偏转实质上是互为“亲缘”的效应）同样也是广义相对论的推论。对于从火星射向处于三联位置（火星、太阳、地球在一直线上）的地球的电磁辐射脉冲，理论的迟滞约为2 · 10-4秒。
实验原理如下：强电磁脉冲被射电望远镜的地面天线发送到卫星上，而放在绕火星运动的卫星舱内的中继仪将收到的微弱讯号放大并利用小型窄向天线将放大的讯号再送回射电望远镜。
在1968年最初的测量中误差达8%（以2 · 10-4秒为100%）。后来这一实验被重复了5次，精度的提高曾在“维金”计划（绕火星运动的轨道器）中被成功地达到。在最近的1979年的测定中（И. 沙比洛，P. 里欣堡），误差只有0.2%。如同光线偏转实验一样，脉冲迟滞实验在误差范围内也没有发现与理论预言有偏离。
属于验证广义相对论的相对论引力实验还有一个。那就是由K. 艾列姆等人在1977年完成的，将两只放在具有不同引力位的点上的钟的走速进行比较的实验。根据理论计算，在地面附近高度差10公里两点，它们的读数之差约为5 · 10-8秒。在这一实验中应用了两组铷标准频率，一组放在地面上的实验室里，另一组放在一架与地面相对“静止”的飞机舱中（飞机时速约400公里）。在15小时间隔里应用3 · 10-10秒的激光脉冲对两组钟的读数作了比较。正如以往其它实验那样，在测量误差范围内（相对误差约2%）与理论值一致。这里需要指出，“静止”的飞机在这个实验中有着重要作用，因为除了广义相对论效应以外还有约为5 · 10-9秒的与v2/c2成电例的另一相对论效事，由于它有不同的符号，因此必须考虑。
上述相对论引力实验取得的成就在很大程度上归功于无线电物理学家制造的卓越的仪器系统，首先是高稳定性的标准频率（振荡器），它被用于同步工作的射电干涉仪、脉冲迟滞实验以及时钟读数比较实验。例如，迟滞效应的相对值为10-7（它是迟滞时间2 · 10-4秒与电磁波从地球到卫星再返回的约30秒的总时间之比），可以想见，如此小的效应要用漂移小于的钟（稳定的自激振荡器）测量。现在在无线电物理学家手中有在1010秒钟内频率不稳定性小于2 · 10-6的自激振荡器。
理论预言与技术方案
在作了这番简要的历史回顾后能够说，到目前为止，根据所得的实验资料没有根据怀疑作为广义相对论基本假设的等价性原理以及广义相对论本身。然而，正如爱因斯坦所中肯地指出的，实验并不能确认某种理论，而只能推翻某种理论。这一断言也适于广义相对论。目前有好几种与广义相对论平行的相对论性引力理论。所有这些理论都预言了电磁波在引力场中的偏转，电磁脉冲的迟滞、由?φ/c2确定的频率的引力移位等效应的同样的大小，这也是它们能与广义相对论竞争的原因。在这些非广义相对论引力理论中有一些自由参数，它们在广义相对论中分别为0或1。
只有对更微小的效应，例如对?φ2/c4数量级的效应在不同的引力理论的预言中才有差别。因而可以期待，为了说明哪个（或哪几个）引力理论不与实验矛盾，相对论引力实验还要继续做下去。作为例子我们来看高一阶的迟滞效应的测量精度。在这样的实验中必须测定的时间为毫微秒数量级。而我们记得，在目前的迟滞实验里电磁波从火星到地球的半小时运动中的迟滞时间为半微秒。
无线电定位技术的发展，新一代仪器系统的出现都有助于人们保持对广义相对论的假设和推论的研讨兴趣。同时，为了引力理论的下一阶段的发展，还需要新的实验事实。这些实验事实不再是已知理论事先能描述的，因此它将是理论工作者的新源泉。
上面所述的均可归属于前已提及的第一时期，即验证等价性原理的时期。这种验证工作还将继续下去直到实验家们发现作为广义相对论公设的这一原理受到违背为止。目前又发表了不少验证等价性原理的新的实验方案。
为了评价与这些新实验的实现有关的问题我们先回过来看看10年前在国立莫斯科大学建立的实验条件。当时需要测定位于扭振摆杠杆两端的两个质量在太阳引力场中的自由落体加速度间的微小差别。在地球轨道处这一加速度约为0.6厘米/秒2。在上述实验中曾查明，如果这一差别存在的话（此时摆的悬线应有初扭转），它将不超过1 · 10-13厘米/秒'的数量级。因而在考虑了实验装置特点进行修正后的这两个加速度的相对比值将与实验相对误差1 · 10-12差不多，因此在室温下从热噪声背景上测定这样大小的量是十分复杂的事。但是，如果揉的衰减时间足够大，使测量时间可达106秒，就可以在实验室条件下做到这一点。当时在国立莫斯科大学获得了衰减时间大于6 · 107秒（两年）的实验条件。
测量时间与衰减时间之比越小，则越小的速度或位移均方值能被充分地记录。在一些实验中曾成功地避免了热噪声，从而在同样的测量时间和温度下增加了衰减时间。此外还表明，必须良好地将被测质量与实验室环境隔离（如周围形成高真空，避免将质量与实验室壁以粘性弹簧相联等）。能够期望，在仔细地满足了这些条件后灵敏度和阈值将降低，实验的分辨性将提高。
另外一个新颖的思想是将试验质量放在绕地球运行的近地轨道人造卫星舱里。此时由于失重自然无须用线或弹簧将质量悬挂。这样就能比较两个试验质量在地球重力场中的加速度。新实验方案就是这样以下列两种可能性为基础的：在低温（如卫星舱内的液氦）条件下增大试验质量的衰减时间（几百年）以及测量在地球重力场中的自由落体加速度。能够预言（虽然有点冒险），在今后十年中这类方案之一将能被实现，那时等价性原理将以10-16至10-17的误差数量级被验证。
读者们不应对如此小的量惊讶不已。事实上，如果设想等价性原理在1 · 10-17的数量级上已不再精确成立，则两个试验质量在地球重力场中的加速度差为1 · 10-14厘米/秒2。这时在106秒时间里它们应分离约5 · 10-3厘米距离。按实验观点看，这是完全不难测量的。值得在这里强调的是，在卫星上做等价性原理的验证实验要比例如测量电磁波在重力场中的偏转方向要经济得多，因此它的实现可能性就更大。
宇宙中的回转仪
以上所述的那些已经完成了的相对论引力实验有个共同特点，即它们都与测量有位引力场的相对论修正量相联系。与此同时，广义相对论及其它相对论性引力理论还预言引力场存在旋度分量（类似电动力学中的磁场）。
约在十五年前就开始了对这一分量的寻找，并且可能将被预定在今后十年之内完成的美国斯坦福大学的一项计划所实现。实现这一任务之所以要花费这么长的时间是由于问题十分复杂。实验原理如下：设想一架理想的回转仪安置在通过子午面（极平面）的近地轨道上飞行的人造卫星内。由于广义相对论效应，回转仪的轴将缓慢进动。进动效应通常分为两部分：若回转仪的轴位于轨道平面内，则轴的进动角速度约每年7″；若回转仪的轴与轨道平面垂直，则轴的进动角速度约每年0.05″。后者与地球转动角速度成正比（有时根据与原子物理学类比，叫它自旋 - 自旋引力效应）。它与在外磁场中通电线圈的转动相似。这样小的回转仪进动角速度是发展验证实验和方法需要如此长的时间的主要原因。
为了使读者能了解斯坦福的实验是以怎样的设想去解决所提出的课题，我们在此介绍回转仪及安置它的专门卫星的一些资料。回转仪是个不球度和不均匀度极小（相对几何不球度小于3 · 10-7，相对密度不均匀性的数量级相同）的熔融石英球体。球外准备以铌超导体覆蔽，并借助安放在高真空（压力不超过10-8乇）的石英球腔内的静电装置悬空支持。腔壁冷却至4°K（卫星舱内的液氦），气态氦气流吹动小球达到每秒几百转的角速度。
回转仪的轴相对卫星的指向以十分巧妙的方法测定：旋转的超导球体由于伦敦效应而被磁化，磁矩的轴与旋转轴相垂直，轴的方向就可以用几个工作在约瑟夫逊效应上的高灵敏超导磁强计给出。这种利用磁场无接触地测量回转仪轴方向的方法要求卫星具有良好的磁屏蔽（约10-7高斯数量级）。
卫星的构造也很复杂：它相对宇宙空间中不动的恒星的定向精度不大于0.001″角，在一个月中卫星轴的漂移就应有这样的数量级。为了保持这样精确的运动参数，装在舱内的定向望远镜冷却到液氦的温度，整个地以石英制造。在液氮温度下它的光学轴由于温度变化引起的漂移不应超过0.001″角。
给出的扼要介绍说明，一方面，所提出的课题难度是怎样的大，实验解决又需要怎样的新颖的设想；另一方面，也解释了为什么实现这一计划要这样长的时间。但如上所述，能够期待它将在今后十年中成功地实现。
寻找引力波的工作
如果不提寻找引力波的工作的话，我们关于现代引力实验的叙述就是不完整的。但与此同时，对这方面的工作即使作最概括的介绍也会使李文篇幅过长。因此我们让读者自己去参阅有关的通俗或专门的文献，而仅在这里列举实验方面的工作和任务。这方面的任务应该由地球上约二十个建立了探索从地球外部传来的引力辐射信息的引力天线的实验室所完成。
1. 为了建立探查来自银核的较长的引力辐射扰动（50 ~ 104秒）的人造卫星引力天线，需要有相对频率变化?f/f在102 ~ 104秒中不超过10-17的频率标准。此外，还假定有实现控制卫星相对速度变化的量级?v/c约为1 · 10-17的宇宙多普勒系统。如前所述，目前达到的量级?f/f约2 · 10-16以及?v/c约1 · 10-14。
2，为了建立用于探查短瞬辐射扰动（约1毫秒）的地面激光引力天线，需要发展记录两面位于相距1公里数量级处的反射镜的微振幅的方法，在1毫秒的时间间隔内误差不得超过10-4厘米。
3. 对于地面刚性引力天线（韦伯型天线，它与激光天线频率范围相同）必须研制能记录1 · 10-17厘米以下的微振幅的仪器。（目前莫斯科大学物理系已研制出在10秒测量时间内记录2 · 10-17厘米振幅的方法。）
在寻找从地球外起源的引力波扰动的过程中发现本质上新的天文物理学信息群的可能性吸引了越来越多的科学家。
所列举的问题（当然并未囊括全部问题）表明，今天从事引力实验的科技人员不但应利用现代测量技术的所有成就，而且还应发展出全新的，无论在各个物理学分支领域里还是在技术上都具有意义的测量方法。
最后必须指出，对物理学基本问题（包括引力问题）的广泛兴趣是合乎情理的，尽管它不一定马上取得实际应用。除了希望更深入详尽地了解人类生活在其中的世界的自然愿望以外，研究工作者懂得，在—个科学领域中发展的方法（思想和实验）迟早会先在别的科学领域，然后在实际中表明是有益的。
（Прuроòα，1931年第12期）