萬有引力 是定律 還是假象？

哈伯望遠鏡拍攝的五十億光年外的暗物質環（法新社）

文 ◎ 莫心海

帕拉圖有一個著名的「山洞比喻」：是說一群終生居住在山洞裏的人，他們唯一見到的就是自己的影子，因此他們相信這影子是時間唯一的存在。終於有一天有人發出疑問：這些影子從何而來呢？他轉過身，發現原來是外面的火光照出了自己的影子，後來他勇敢的走出山洞，展現在他面前的是一個廣闊的世界……
　

於是有了這樣的一句富有哲理的話：看得見的是看不見的影子。

　　牛頓看到蘋果從樹上掉到地上，於是他經過思考和演算，提出了萬有引力學說來描述這一現象背後的原因。從那以後，萬有引力定律一直是現代物理學的基石之一。人們終於認為找到了那看不見的真相。

　　然而二十世紀以後的研究卻發現了許多許多萬有引力定律無法解釋的現象，如今人們開始思考：或許那萬有引力本身也不過是個影子。

　　在諸多萬有引力定律無法解釋的現象中，讓我們來看看人類發射進入太空的宇宙飛船給我們帶來了什麼。

　　美國航空航天局科學家對先驅者（Pioneer）10和11號、尤利西斯（Ulysses）號、 「伽俐略」號、NEAR、「羅塞塔」號（Rosseta）、卡西尼號（Cassini）等航天器的軌跡跟蹤表明，這些航天器的運行軌跡明顯偏離根據萬有引力算出的軌道。有關結果發表在《物理學評論快報》1998年10月5日第81卷，2008年3月3日第100卷，2002年4月15日《物理學評論D》第65卷等權威雜誌上。

　　　
先驅者的啟示

　　先驅者10號和先驅者11號航天器分別發射於1972年3月2日和1973年4月5日，是人類最早向外太空發射的航天器。在先驅者10號和11號分別與木星、土星相會後，兩艘航天器沿著相反的方向飛向太空。先驅者11號在1995年11月份最後一次發射回信號後與地面失去了聯繫，而先驅者10號最後一次發送回信號是在2003年2月份。

　　根據航天器發送回來的無線電波信號，科學家們可以準確地定出它們的位置，在扣除行星的微擾、太陽輻射壓力、星際物質、廣義相對論效應以及多普勒偏差和漂移等影響後，科學家們可以精確地算出它們的加速度，精度高達10-10cm／s2。

　　從1980年起，當太陽的輻射壓力小於510-8cm/s2後，NASA的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）研究組就發現了對先驅者10號算出的加速度中有810-8cm/s2無從解釋，該加速度方向正對著太陽，使每年航天器飛行距離比計算值小几千英里。在這以後更精確的計算表明，先驅者10號和11號都受到約8.510-8 cm/s2的向著太陽的不明來源的加速度。

　　此後實驗組考慮了各種可能的原因，如來自星系和基泊爾（Kuiper）行星帶的引力、航天器漏氣、地球進動、地球方向誤差、飛船熱輻射的各向異性等，發現沒有一種起因可以對此加以解釋，這些因素引起的加速度偏差僅是上述偏差的千分之一左右。

　　實驗組還用兩個獨立的分析軟件對這些軌道作了計算，結果得到了一致的結論，排除了分析軟件存在缺陷導致錯誤的可能性。

　　為檢驗所發現的加速度是否是某種未知粘滯阻力所致，考慮到粘滯阻力總是與速度方向相反，實驗組還對運行軌道不沿著太陽半徑方向的尤利西斯號的軌跡進行了分析，結果表明尤利西斯號軌道也受到類似的不明加速度的作用；另外，尤利西斯號的設計和外形都與先驅者號大不相同，所以這一加速度也不太可能由飛行器的硬件所導致。


理論與觀測不同

　　2008年3月3日， 「先驅者」號異常運動現象的首批發現者之一、美國國家宇航局噴氣推進實驗室的天文學家約翰安德森（John Anderson）在《物理學評論快報》上發表另一篇文章, 指出繞行星運行的探測器也獲得了一些高於理論計算值的額外能量。

　　安德森領導的小組總共對五部探測器的運動數據進行了分析，這些探測器包括「伽俐略」號（負責探測木星）、NEAR（負責探測小行星）、「羅塞塔」號（負責探測彗星）、「卡西尼」（負責探測土星）和「信使」號（負責探測水星）。所有這些探測器均曾在地球附近利用其引力場進行加速或減速。

　　觀測顯示，除信使號外，所有的探測器均獲得了比理論計算值更高的加速度。「信使」號在北緯31度附近接近地球，在南緯32度時開始遠離地球。由於其運動路線具有對稱性，導致其速度變化的幅度不大。

　　而其它四部探測器的速度變化非常明顯，記錄到的加速度偏差也相對較大。例如，NEAR在遠離地球時的速度就比理論計算值高了13 毫米/秒（測量精度為0.1毫米/秒）。這些科學家甚至已經給出公式準確地算出這種效應對飛行器速度的影響，但是迄今為止這種效應的起源還不清楚。

未知的規律？

　　安德森認為，這幾部探測器在行星附近出現的運動異常現象與「先驅者」號所遇到的均遵循著共同的自然規律。「先驅者」號是在繞日軌道上表現出了運動異常現象；其它探測器則是在繞地軌道上表現出了異常。

　　在這些論文中,這些科學家還指出了與這一加速度有關的另外一個疑團，它只影響人造飛行器而對太陽系的九大行星的運行軌跡沒有顯著的影響。今天人類已經能夠對行星的運動進行了精確的觀測，如NASA的維京使命（Viking Mission）可以將地球和火星位置精確定位到誤差小於100米，如果地球和火星有同樣的效應，它們的軌道半徑據推算要比現在分別小21和76公里。這一現象也不太可能是目前天文學家們正在尋找的暗物質引起，因為暗物質會對行星施加相似的加速度。

永恆定理的局限

　　一些科學家認為這一現象有可能是新的物理原理所致，也有的科學家認為這是因為萬有引力定律在大尺度上不再成立的緣故。NASA科學家已經決定在以後的飛行器運行軌道設計中考慮這一他們稱為先驅者號反常的現象。

先驅者號和其它航天器的軌跡反常顯示「萬有引力」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。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「暗物質」在維持著星系的穩定。

　　現在物理學家傾向於後一個假設。天文學家認為暗物質並不像通常粒子一樣由質子、中子組成，它就像一種重力膠把整個星系粘在一起。儘管宇宙中90%以上是暗物質，但天文學家對它知之甚少。

　　對暗物質的引力作用形式，科學家們一直沿用牛頓的萬有引力定律的思路，但是根據牛頓引力理論算出的暗物質分佈和觀測結果相差甚遠。2003年10月費德裡科匹埃薩 （Federico Piazza） 和克裡斯蒂安馬裡諾尼（Christian Marinoni）在《物理學評論快報》上發表文章指出，暗物質可能對它周圍的正常物質根本就沒有作用。只有當彼此分開相當距離後，才會相互吸引。新理論能解釋根據觀測推算出的暗物質分佈，但和牛頓的萬有引力定律相差非常遠。

宇宙膨脹 「暗能量」「推動」

　　1998年發現的宇宙加速膨脹，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。還有其它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。有些科學家認為萬有引力常數並不是真正的常數，它在地球上不同的地點有不同的數值。

　　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。

人造與自然

　　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。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」的行星軌道有什麼特殊之處？

　　這不禁使人想起了原子中的電子軌道。在原子中，電子的「軌道」的確很特殊而維繫了原子的穩定，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。

先驅者10號假想圖（Getty Images）

2004年8月，探測水星的「信使」號被發射升空。（Getty Images）

卡西尼號飛船地面控制人員與科學家舉行新聞發佈會（Getty Images）