從先驅者號軌跡反常談「萬有引力」(圖)


【明慧網2003年3月21日】眾所周知,「萬有引力」定律是由十七世紀英國科學家牛頓發現的。牛頓根據當時對太陽系內行星運行觀測的數據,結合自己和前人發現的的運動定律推導出了萬有引力定律。儘管「萬有引力」定律在解釋行星運行上取得了成功,但是它在太陽系以外並沒有得到實驗的驗證。先驅者號航行使人類第一次有機會精確地在「大尺度」上檢測「萬有引力」定律,而先驅者號的軌跡反常顯示「萬有引力」之外可能還有不為我們所知的奧秘。

在星系尺度上,現在的天體觀測已經發現了很多不能為「萬有引力」定律解釋的現象。比如星系的運動,萬有引力定律就無能為力。科學家們早就發現觀測到的星系旋轉速度比「萬有引力」定律算出的要快很多,要維繫星系的運行而使它們不分崩離析,必須假設星系中星體的引力常數(表徵引力強度的常數)比我們現在所知的的引力常數要強很多;或者是維持引力常數不變,假定存在著質量比我們能夠觀測到的普通星體質量大10倍左右的所謂「暗物質」在維持著星系的穩定。雖然現在物理學家都是傾向於後一個假設,但是這種假設十分隨意(因為科學家們對「暗物質」一無所知),這種假設也只是許多可能性中的一種,真實情況如何仍然不得而知。

幾年來發現的著名的宇宙加速膨脹,更是萬有引力定律無法解釋的。按照現代宇宙論,宇宙起源於一次宇宙大爆炸,宇宙因大爆炸而膨脹。按照萬有引力定律,宇宙的膨脹速度應該因為宇宙中星系之間的萬有引力而逐漸減慢。但是自1998年以來,幾個互相獨立實驗觀測都證實了我們宇宙在加速膨脹。科學家為此不得不引入所謂的「暗能量」來「推動」這種膨脹。

科學家們在測量萬有引力常數的實驗中也發現了異常。例如在對「萬有引力常數」的測定中,目前兩組精確度最高的測量值雖然實驗精度達到萬分之一,但是奇怪的是,這兩個實驗數值彼此相差超過實驗精度的10倍以上。還有其他一些實驗組給出的數值相互之間也有很大的出入。對此,科學家們百思不得其解。現在有些科學家認為這一常數並不是真正意義上的常數,它在地球上不同的地點有著不同的數值。

在理論上,「萬有引力」也是讓理論物理學家最為頭疼的相互作用。它與其它重要的現有物理理論如量子場論等格格不入。因此很多研究弦論和膜論的物理學家認為「萬有引力」只是一種現象,真正的物理實質是甚麼還有待於進一步的探索。在科學家們找到其物理實質之前,引力將持續困擾著我們。

先驅者號軌跡反常還有一個令人不解之處,就是我們太陽系中自然存在的行星都沒有發現這種反常加速度。難道「自然存在」的行星和人造的飛船的「萬有引力」存在著某些不為我們所知的差異嗎?或者「自然存在」的行星軌道有甚麼特殊之處?這不禁使人想起了原子中的電子軌道。在原子中,電子的「定態軌道」的確是一些很特殊的「軌道」,也許微觀和宏觀世界存在著某種還不為我們所知的相通之處。

參考文獻
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

(專自新生網)







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