萬有引力的不足
(2011-01-15 13:31:31)
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| 標籤： 萬有引力暗物質nasa教育 | 分類： 宇宙時空 |
（1）證實重力的速度 ─ 別那麼快
本月初，美國多家新聞媒體同時報道了有關重力速度的最新發現。 他們聲稱：物理學家Sergei Kopeikin對木星的觀察表明重力通過太空的速度和光速相同。這一發現首次證實了愛因斯坦在近一個世紀前的預測。
然而，事實並不一定是這麼回事。在本月17日的《科學》雜誌上[1]， Robert Irion 撰文指出：一些物理學家認為Kopeikin的研究實際上是測定的光速而非重力的速度。和媒體相反，美國科學界對Kopeikin 的結果是持審慎態度的。
可以理解，新聞媒體對最新科學進展的報道很難做到盡善盡美。其實，今年第一期的《科學》雜誌就發表了令人震驚的重大發現。通過對宇宙年齡、距離和紅移(redshift)的聯繫，宇宙幾何外形這三個重要參數的獨立研究和觀察，美國天文學家Krauss和Chaboyer推斷：宇宙天體是受到限制的，是由拮抗重力的神秘高能量所主宰的[2]。並非象哈勃(Hubble)所提出的那樣：大爆炸(Big Bang)及以後的膨脹進而產生宇宙。
（2）科學家發現先驅者航天器軌跡明顯偏離萬有引力定律的預期
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。有關結果已經發表在1998年10月5日《物理學評論快報》第81卷，2002年4月15日《物理學評論D》第65卷等權威雜誌上。
圖為先驅者航天器示意圖
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。先鋒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，而先鋒10號最後一次發送回信號是在今年2月份。
根據兩艘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，在扣除行星的微擾效應、太陽輻射壓力、星際物質的影響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，計算精度高達10-10cm／s2。
從1980年起，當太陽的輻射壓力小於5x10-8cm/s2後，NASA的噴氣推進實驗室(Jet Pr opulsion Laboratory,JPL)研究組就發現了對先驅者10號算出的加速度中有8(±3)x10-8cm/s2無從解釋，該加速度方向正對著太陽。在這以後更精確的計算表明，先驅者10號和11號都受到約8.5x10-8cm/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，諸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，有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體對這些軌道作了計算，結果得到了一致的結論，排除了分析軟體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，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體所導致。實驗組對加利略號軌道的分析也得到了類似的結論，但是實驗組也謹慎地說明，加利略號受太陽輻射壓力影響較大，他們不能排除太陽輻射壓力的作用。
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，它只是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(Viking)使命可以將地球和火星位置確定到誤差小於100米左右，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使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。
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。有的NASA科學家已經提出了進一步驗證這一現象的實驗設想,並已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。
（3）極度清晰的哈勃圖像挑戰現有時空和引力理論
另外，極度清晰的通過哈勃望遠鏡觀測到的圖像也對現有時空和引力理論提出了強烈挑戰。
清晰度是天文學家及公眾對哈勃太空望遠鏡所期待的，然而哈勃所拍攝的遙遠星系的清晰度卻使科學家思考為什麼這些圖片不模糊，因為依據一些新的計算這些圖片應該模糊，同時，思考是否必須重新考慮空間、時間和引力理論的一些基本假設。
對於非常遙遠星體和星系的圖片進行的分析檢驗了量子力量的一個基本方面，它是對看不見的原子級別物理學廣泛所持觀點的一個集合體，並且這些觀點與宇宙最大尺度級別物理概念相關。
傳統觀點認為，空間與時間可以整體看作為一種海綿。當光線穿過海綿時應該受到干擾，即使這種干擾非常輕微，這樣隨著時間的推進，光線在宇宙中穿越後，在精確望遠鏡上匯聚所顯圖像只能是模糊的。簡而言之，哈勃對遙遠星體所拍圖像應該產生一種奇怪的效果，然而實際上卻沒有：哈勃圖像清晰明了，與拍攝對象的距離沒有關係。
根據兩獨立研究小組的研究結果，量子理論可能有缺陷。由Roberto Ragazzoni所領導的大利Arcetri 天體物理觀測台(Asrophysical Observatory of Arcetri) 和德國馬普天文所(Max Planck Institute for Astronomy)天文學家小組完成了一項最新研究。Ragazzoni認為，預期的量子效應就象地球大氣層所導致的細微模糊情形，這使星體產生閃爍。
Ragazzoni解釋道，當光線從遙遠目標傳來時，由於不同光波以略微不同的路徑穿過海綿，一些光波相對於其它光波就會受到阻礙，光線就會從實際光源周圍的位置傳來從而導致模糊。
你沒有看到一個宇宙是模糊的，他說，如果你取出任何一張哈勃太空望遠鏡深景圖像你會看到都是非常清晰的，這足以告訴我們光線在從光源傳到觀測器的時空中，沒有因波動起伏而發生畸變或受到干擾。
該項研究將發表於2002年4月10日出版的《天體物理雜誌快報》上（Astrophysical Journal Letters）。
諸多的現代科學實驗表明，萬有引力以及現有的引力理論都存在這難以克服的困難和不足，隨著實驗技術的發展和觀測技術的進一步提高，這種不足會暴露得更加明顯。回首近百年來人類物理學和科學技術發展史，似乎都是在不斷地重複這一相似的過程。然而今天人類科學技術的發展所受到的挑戰也是空前的。實際上，造成這一結果的根本原因是人類對物質世界的認識還停留在事物的表面上，所以提出的理論也是「唯象」的。「唯象」的理論只能停留在與之相應的空間範圍之內，而超出其範圍，理論即出現「斷層」，也就不得不從新構築新的理論模型以克服先前理論的不足。
一段時期以來，人類已經觀測到宇宙以發生了前所未有的巨大變化，這些觀測到天體現象，也為人類科學技術的發展提供了前所未有的契機，能否撲捉的這些認識自然的契機取決於人類自身的「觀念」的轉變，能否從以前對自然認識的傳統觀念中解脫出來決定了人類對自然界的認識程度。
（4）挑戰萬有引力定律：NASA的新實驗
在中國和其它國家，都有人在空中漂浮的報導。例如一位美國記者對印度的一位高人的採訪，這位高人能起空飛行。
人體能起空意味者人體和地球之間的萬有引力變為零。根據萬有引力定律，這表明此時人的質量為零。雖然這似乎是異想天開，但這對於美國航空航天局(NASA)來說實在太重要了。因為NASA一直希望能進行恆星際的旅行，就是能飛到其它的太陽系去。然而，即使在沒有引力的外太空，還是需要將飛船加速到極高的速度，才能使這種星際旅行成為可能，然而常規的火箭技術卻達不到這一點。NASA在去年7月份的一項報告中指出：「採用現有的火箭技術，要想在合理的壽命時間內到達最近的恆星，所需要的燃料的質量可以和一個行星的質量相當。」但是如果能夠減小飛船的質量，那麼所需要的燃料推進力就會減少，因為根據牛頓第二定律，要想達到同樣的加速度，所需要的燃料推進力和質量成正比，即質量越小，則所需要的推進力越小。
經過近兩年的等待，位於美國阿拉巴馬州(Alabama)杭茨維爾市(Huntsville)的NASA馬沙爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)即將迎來有希望挑戰萬有引力定律的儀器。
雖然聽起來有點象天方夜譚，但是這個NASA項目的科研人員說，他們的努力是基於真正的科學，NASA已支付了600，000美元向位於俄亥俄州(Ohio)的超導器件公司(Superconductive Components, Inc.)定製這台儀器。
NASA的這個實驗起源於1992年物理雜誌C(Physica C)上俄國物理學家Evgeny Podkletnov的一篇論文[6]。Podkletnov在論文中宣布他發現了「引力屏蔽」效應。他把引力減小了0.05-0.3%。雖然聽起來不怎麼樣，但對於物理學界來說，卻象爆炸了一顆炸彈。因為萬有引力定律是現代科學最神聖的原理之一，對它的任何違背都是對現代理論框架的威脅。如果Podkletnov的實驗被證實的話，那無疑會給它的發現者帶來諾貝爾獎金。
雖然儀器可能很複雜，但其基本的原理卻是很簡單的。它有一個直徑6英寸、厚度0.25英寸的超導圓盤。這個圓盤被降溫至攝氏零下233度，懸浮在一個磁場中。再施加一個電場使圓盤旋轉。Podkletnov說當轉速超過每分鐘5000轉時，置於盤上的物體就開始失去重量。
Podkletnov在論文中對他的發現是這樣解釋的：「重量的部份減小可能與低溫下超導體晶體結構內存在的某種能量態有關。這種不同尋常的能量態可能改變了固體內電磁力、核力和引力間的相互作用，從而產生了引力屏蔽效應。」
在Podkletnov之後，有一些物理學家重複了他的實驗，有的說成功，有的說失敗。還有一些物理學家從理論上論證了「引力屏蔽效應」的可行性，也有的認為不行。
雖然大多數物理學家對NASA的實驗不抱樂觀的態度，但NASA「突破推進物理項目」(Breakthrough Propulsion Physics Project)的負責人航空工程師麥克·米立斯(Marc G. Millis)說，「NASA將會保持一個開放的思想。歷史告訴我們，新的發現可能來自看起來最不可能的方向。」
（5）從先驅者號軌跡反常談「萬有引力」
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」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，真正的物理實質是什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「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。
-----------------摘自《巨變中的宇宙》一書
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