从先驱者号轨迹反常谈“万有引力”(图)


【明慧网2003年3月21日】众所周知,“万有引力”定律是由十七世纪英国科学家牛顿发现的。牛顿根据当时对太阳系内行星运行观测的数据,结合自己和前人发现的的运动定律推导出了万有引力定律。尽管“万有引力”定律在解释行星运行上取得了成功,但是它在太阳系以外并没有得到实验的验证。先驱者号航行使人类第一次有机会精确地在“大尺度”上检测“万有引力”定律,而先驱者号的轨迹反常显示“万有引力”之外可能还有不为我们所知的奥秘。

在星系尺度上,现在的天体观测已经发现了很多不能为“万有引力”定律解释的现象。比如星系的运动,万有引力定律就无能为力。科学家们早就发现观测到的星系旋转速度比“万有引力”定律算出的要快很多,要维系星系的运行而使它们不分崩离析,必须假设星系中星体的引力常数(表征引力强度的常数)比我们现在所知的的引力常数要强很多;或者是维持引力常数不变,假定存在着质量比我们能够观测到的普通星体质量大10倍左右的所谓“暗物质”在维持着星系的稳定。虽然现在物理学家都是倾向于后一个假设,但是这种假设十分随意(因为科学家们对“暗物质”一无所知),这种假设也只是许多可能性中的一种,真实情况如何仍然不得而知。

几年来发现的著名的宇宙加速膨胀,更是万有引力定律无法解释的。按照现代宇宙论,宇宙起源于一次宇宙大爆炸,宇宙因大爆炸而膨胀。按照万有引力定律,宇宙的膨胀速度应该因为宇宙中星系之间的万有引力而逐渐减慢。但是自1998年以来,几个互相独立实验观测都证实了我们宇宙在加速膨胀。科学家为此不得不引入所谓的“暗能量”来“推动”这种膨胀。

科学家们在测量万有引力常数的实验中也发现了异常。例如在对“万有引力常数”的测定中,目前两组精确度最高的测量值虽然实验精度达到万分之一,但是奇怪的是,这两个实验数值彼此相差超过实验精度的10倍以上。还有其他一些实验组给出的数值相互之间也有很大的出入。对此,科学家们百思不得其解。现在有些科学家认为这一常数并不是真正意义上的常数,它在地球上不同的地点有着不同的数值。

在理论上,“万有引力”也是让理论物理学家最为头疼的相互作用。它与其它重要的现有物理理论如量子场论等格格不入。因此很多研究弦论和膜论的物理学家认为“万有引力”只是一种现象,真正的物理实质是什么还有待于进一步的探索。在科学家们找到其物理实质之前,引力将持续困扰着我们。

先驱者号轨迹反常还有一个令人不解之处,就是我们太阳系中自然存在的行星都没有发现这种反常加速度。难道“自然存在”的行星和人造的飞船的“万有引力”存在着某些不为我们所知的差异吗?或者“自然存在”的行星轨道有什么特殊之处?这不禁使人想起了原子中的电子轨道。在原子中,电子的“定态轨道”的确是一些很特殊的“轨道”,也许微观和宏观世界存在着某种还不为我们所知的相通之处。

参考文献
1. J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev. Lett. 81, 2858, 1998.
2. J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev D 65, 082004, 2002.
3. http://www.npl.washington.edu/eotwash/gconst.html
4. http://imgsrc.stsci.edu/op/pubinfo/PR/2001/10/content/0110w.jpg

(专自新生网)







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