未知的引力

空間探測器的飛掠以及月球的軌道並沒有嚴格地符合理論預言。難道是還存在著一種未知的引力？

1687年，牛頓（1642-1727）出版了他的《自然哲學的數學原理》，在這本書中他詳細地講述了他的引力理論。在之後的幾個世紀里，牛頓的引力和觀測結果符合得很好，但是也有個別例外。在大約230年後的1916年，愛因斯坦（1879-1955）發表了他的廣義相對論。他的理論回答了長期以來關於引力是如何作用的疑問。但是現在看來廣義相對論似乎並沒有回答所有的問題。因為在過去了幾十年里，觀測和實驗又發現了一些新的有趣的引力現象。為了解決觀測到的這些「異常」，也許需要再一次地修改引力理論。

19世紀中，勒威耶注意到了水星位置和理論預報之間的偏差。以太陽和一顆行星為例，按照牛頓引力的預言，行星會在一條橢圓形的軌道上繞太陽運動。然而，當天文學家把其他行星的引力作用也考慮進去的時候，這就不再成立了。不過你也可以假設行星依舊沿著橢圓軌道運動，只不過這條橢圓軌道本身會由於其他行星的影響而開始轉動。

[圖片說明]：水星軌道的進動。

水星的這種「軌道轉動」則體現在了它近日點（水星軌道上最靠近太陽的那一點）的進動上。牛頓的理論預言，水星的軌道應該每世紀進動531個角秒，或者大約每過244,000年水星的近日點就會回到相同的位置。但勒威耶卻無法調和望遠鏡觀測到的水星位置和牛頓理論預言之間的差異。水星橢圓軌道轉得太快了。1882年，美國天文學家紐康（1835-1909）細化了勒威耶的計算，並且證實了水星軌道確實轉得過快，每世紀多了43個角秒，或者比牛頓引力的預言快了8%。

直到愛因斯坦發表他的廣義相對論，科學家們一直沒有找到對水星「異常」進動的合理解釋。但即便是愛因斯坦他本人在發展廣義相對論的時候也沒有意識到水星的軌道運動所存在的問題。

大約一個世紀後的今天，我們也許就像那個時候一樣正處於另一次飛越的邊緣。

天文學家在1687年牛頓公布了他的引力定律之後便了解了月球圍繞地球的運動。如果需要以非常高的精度來描述月球運動的話，科學們則還會使用廣義相對論。畢竟這是目前最好的引力理論。不過這裡面似乎還少了些什麼。

20世紀70年代美國的宇航員和蘇聯的探月著陸器分別把激光反射鏡送上了月球表面。天文學家們使用這些反射鏡來跟蹤月球的位置，其精度可以達到大約1厘米，或者千億分之二的量級。

[圖片說明]：「阿波羅」14號宇航員在月球上放置的激光反射鏡陣。版權：NASA。

在分析了38年的由激光測月得到的高精度地月距離數據以後，美國噴氣推進實驗室的詹姆斯?威廉姆斯（James Williams）發現，月球圍繞地球的軌道正在越來越偏離圓形。2006年威廉姆斯報告說，月球近地點和遠地點之間的距離差正在以意料之外的每年6毫米的速度增長。不過有些人認為並不需要擔心。因為在地球和月球內部的潮汐力也會作用於月球的軌道。

在考慮了潮汐阻尼的作用之後，威廉姆斯還是發現了月球軌道中剩下的無法解釋的變化。他預計潮汐阻尼造成了月球軌道偏心率的變化，但是這個變化快了大約3倍。對此目前還沒有一個清楚的解釋。

2004年美國宇航局噴氣推進實驗室的邁爾斯?斯坦迪什（E. Myles Standish）發現，太陽系的距離尺度――天文單位（AU）――似乎在變大，因此這也等效為太陽的引力在變大。

天文單位――太陽和地球間的平均距離――被認為是一個天文常數。科學家使用雷達測距技術來測量地球和行星之間的距離，進而得出天文單位的數值。天文學家測得的天文單位已經具有了11位有效數字，使得它成為了被測量得最精準的天文常數。

使用激光我們可以確定月球到地球的距離，但是由於行星距離我們太遠了，因此要使用雷達。激光測月的精度已經達到了大約1厘米的水平，而雷達測距的精度則大約為1-10米。在火星上有三個和飛機上所使用的非常相似的無線電應答器。這些應答器分別裝載在「海盜」1號著陸器（1976年7月20日-1982年11月13日）、「海盜」2號著陸器（1976年9月3日-1980年4月11日）以及「火星探路者」探測器（1997年7月4日-1997年10月7日）上。

位於美國加州、澳大利亞和西班牙的美國宇航局深空探測網可以測量著陸器和地球之間的距離。但是應答器和月亮上激光反射鏡不同，它並不是被動型的裝置，需要探測器供給能源。

1976年-1997年積累下來的火星著陸器數據為探測行星軌道運動提供了寶貴的資料。

俄羅斯聖彼得堡應用天文研究所的喬治?科蘭金斯基（Georgij Krasinky）和維克多?布隆伯格（Victor Brumberg）使用這些數據以及由同一研究所的艾蓮娜?佩特耶娃（Elena Pitjeva）提供的其他位置數據來分析了大約204,000個觀測數據。2004年科蘭金斯基和布隆伯格發現，天文單位正在以每世紀15米的速度增長。

2005年佩特耶娃公布了對從1913年到2003年間317,000次觀測更為詳細的分析結果。她的分析是在廣義相對論框架下進行的，這也是對廣義相對論在引力系統中最好的檢驗之一。

佩特耶娃的這一結果將太陽系的距離尺度――天文單位――確定到了1米的精度。在這一精度下，1967年到2003年的位置資料顯示天文單位正在隨著時間變大。

佩特耶娃和斯坦迪什的最新測量顯示天文單位正在以每世紀7米的速度增長。但是天文單位應該是保持不變的！

奇怪的引力現象並不僅僅局限在太陽系的自然天體上。正在從兩個相反方向離開太陽系的「先驅者」10號和11號也存在著異常，它們所在位置與理論預言的也對不上。

「先驅者」10號發射於1972年3月2日。1973年12月4日飛過木星，並藉助木星的引力來飛出太陽系。現在「先驅者」10號已經越過了所有的大行星，距離太陽96個天文單位，並且正在以每年2.5個天文單位的速度向太陽系外進發。以目前的速度，它會在2百萬年內到達畢宿五（金牛α）附近。

「先驅者」11號發射於1973年4月6日。當它在1974年12月2日飛臨木星的時候，木星的引力把它推入了會和土星相會的軌道。1979年9月1日「先驅者」11號抵達土星，然後又藉助土星的引力它最終踏上了遠赴太陽系之外的征程。和「先驅者」10號相比，「先驅者」11號到太陽的距離要更近一些，距離太陽大約75個天文單位。同時它的速度也要稍慢一些，每年朝天鷹座方向前進2.4個天文單位。在大約4百萬年之後它會從天鷹λ附近穿過。

[圖片說明]：「先驅者」10號和11號的運動軌跡。版權：NASA。

深空探測網在它們飛得太遠而無法通訊之前會一直跟蹤這兩個探測器。在20世紀90年代末，美國拉斯阿拉默斯國家實驗室的邁克爾?馬丁?尼托（Michael Martin Nieto）、美國噴氣推進實驗室的約翰?安德森（John Anderson）、斯拉瓦?托拉謝夫（Slava Turyshev）和尤尼斯?勞（Eunice Lau）以及美國航天公司的菲利普?萊恩（Philip Laing）和安東尼?劉（Anthony Liu）分析了「先驅者」10號為期11年和「先驅者」11號為期4年的深空探測網觀測資料。

跟蹤數據顯示，1998年「先驅者」10號的位置比根據牛頓和愛因斯坦的引力理論預期的近了58,000千米。當該研究小組在1998年公布這一結果的時候，他們提出這一偏差可能是由於某種未知的作用在探測器上的力或者是觀測數據中存在系統誤差所造成的。但是10年過去了，至今還沒有人能對此給出一個令人滿意的解答。

「先驅者」11號的情況也差不多。從4年的跟蹤數據來看，它的距離比預期的要近了大約6,000千米。這就好像有某種力作用在這個兩個探測器上，使得它們在以恆定的速率減速。

不幸的是，同樣正在飛離太陽系的「旅行者」號探測器無法用來檢驗這一觀測到的「先驅者」號異常。原因就在於「旅行者」號探測器會不斷地噴射氣體來保持自身的平衡。而這一做法就使得它們無法被用來精確地探測太陽系中的引力。

檢驗這一異常的最佳機會是於2006年1月19日發射的冥王星探測器「新視野」號。它於2007年2月28日飛過了木星，目前它和「先驅者」號一樣正通過自身的旋轉來保持穩定，以等待2015年7月最終到達冥王星。然而，與「先驅者」號不同的是，「新視野」號不是被設計來精確跟蹤它的軌道的。也許在2010年或者2011年通過「新視野」上有限的跟蹤系統能告訴我們一些有關「先驅者」號異常的線索。

噴氣推進實驗室的科學家詹姆斯?坎貝爾（James K. Campbell）、約翰?埃克蘭（John E. Ekeland）、喬丹?埃利斯（Jordan Ellis）、詹姆斯?喬丹（James F. Jordan）和約翰?安德森在2008年3月7日出版的《物理學評論快報》上撰文，發現6個藉助地球引力助推的探測器軌道能量存在異常變化，而且這些異常的變化無法用牛頓引力定律來解釋。

在1990年12月伽利略探測器飛掠地球時的深空探測網跟蹤數據中第一次發現了這一異常。當時「伽利略」距離地球大約2百萬千米，正以每秒8,891米的速度向地球靠近。在考慮了所有來自月亮、太陽和其他行星的已知引力效應之後，科學家們預計當「伽利略」離開地球到相當的距離的時候也應該具有相同的速度。然而，測量卻發現它的運動速度比預想的要快。它超速了每秒4毫米，儘管這個值非常小，但是它實實在在的就在觀測數據里。於是科學家們決定等待更多的探測器飛掠地球的事件，以便來確認它們是否也存在著類似的速度變化。

2年之後伽利略探測器再一次飛過地球，不過這一次它飛進了地球上層大氣，因此無法用來測量微小的引力效應。

[圖片說明]：「伽利略」木星探測器的軌跡。版權：大不列顛百科全書。

再下一次飛掠的是1998年1月的舒梅克近地小行星探測器，觀測發現也存在著加速現象。它的加速效應大約是「伽利略」的3倍，達到了每秒13.5毫米。這一結果著實把科學家們給難住了。是什麼為探測器注入了能量並且讓它們加速的呢？科學家們還在2005年3月的羅塞塔探測器上觀測到了類似的現象，這次它的反常速度為每秒2毫米。在《物理學評論快報》的文章發表之後，2007年11月13日羅塞塔探測器又一次飛掠地球進行另一次引力助推。這次飛掠的高度為5,295千米，沒有發現任何反常效應。2009年11月13日羅塞塔探測器會最後一次飛掠地球，並藉助地球的引力飛向最終的目標丘留莫夫-格拉西緬科彗星。

計劃於2011年8月的發射的「朱諾」木星探測器會自2013年10月飛掠地球進行引力助推，這將是近期觀測這一效應是否屬實的絕佳機會。

這些異常給我們帶來了一些新東西。天文學家們正在嘗試把不同的探測器速度變化聯繫起來。許多人相信「先驅者」號探測器自身的熱輻射造成了測量結果和理論預言之間的偏差，而一些科學家發現「先驅者」號異常的70%可能是由熱輻射所造成的。如果熱輻射確實是異常的罪魁禍首的話，那麼隨著探測器上能源的枯竭，「先驅者」號減速的幅度應該持續減小。但是天文學家並沒有觀測到這一現象。在11年的時間裡「先驅者」號的減速速率基本保持不變。

2006年德國不萊梅大學的克勞斯?萊曼蔡爾（Claus Laemmerzahl）和漢斯榮格?迪特斯（Hansjoerg Dittus）以及馬普太陽系研究所的奧利佛?普洛斯（Oliver Preuss）研究並且排除了有關「先驅者」號以及地球飛掠異常的許多解釋，這其中包括地球大氣、海洋潮汐、地球固體潮、探測器帶電、磁矩、地球反照率以及太陽風。它們的貢獻都不足飛掠異常的10%，而且絕大多數效應所能產生的影響都要比觀測到的小1,000倍以上。

儘管科學家們都相信這些太陽系的異常現象背後都有一定的解釋，但是沒人能給出一個清晰的源頭。一種觀點是，新的引力理論可以解釋觀測到的異常。也許天文學正在經歷向一種新的物理學或者至少是一種新的引力理論的轉變。

從20世紀70年代以來，天文學家就已經知道，星系外圍物質的運動會破壞牛頓引力定律。按照原先的預期，星系外圍沿橢圓軌道轉動的恆星的速度會隨著到星系中心距離的增加而減小。但是觀測到的結果卻並非如此。與逐漸減小不同，在星系中很大的範圍內，不同距離上的天體繞星系中心轉動的速度幾乎都完全一樣。

天文學家為此假設星系中還存在著大量看不見的物質，它們束縛住了星系中的恆星。由於這些額外的物質只參與引力作用而又無法被觀測到，因此被稱為「暗物質」。於是在暗物質的幫助下，觀測結果又能和牛頓引力相符合了。

然而，以色列魏茲曼研究所的莫德海?米爾格隆姆（Mordehai Milgrom）在1983年第一個提出了另一種觀點，使用修改的牛頓動力學（MOND）來解釋觀測到的星系運動。這算不上是一個新的理論，但是這一修改可以擬合觀測數據。

MOND認為牛頓動力學在極低密度環境下將不再適用。正如它的名字，MOND通過修改牛頓動力學使得引力可以在低密度系統中變強。

MOND可以在不需要暗物質假設的情況下解釋星系外圍恆星的運動。米爾格隆姆提出，在星系的外圍區域中牛頓運動定律而不是牛頓引力定律發生了改變。在靠近星系中心的地方以及太陽系內，原來的牛頓定律和愛因斯坦的廣義相對論依然適用。

如果MOND確實是正確的，那麼就需要一個新的引力理論來解釋它。於是，換句話說就不再需要暗物質了。

如果最終我們發現了是什麼造成了探測器預料之外的加速和異常以及月球軌道和太陽引力的變化，那麼我們就會知道我們是否真的了解引力了。

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