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通過(guò)分析長(zhǎng)周期雙星的運(yùn)動(dòng)狀況，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了牛頓和愛(ài)因斯坦的引力理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象。這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著，我們需要一種新的引力理論來(lái)描述宇宙的奧秘。這將是一場(chǎng)物理學(xué)革命，對(duì)整個(gè)宇宙學(xué)有著重大的影響。
文 | 陳強(qiáng)
引力是自然界中最基本和最普遍的力之一，它是物體之間的一種吸引作用。在科學(xué)史上，有兩位科學(xué)家對(duì)引力的研究做出了重大的貢獻(xiàn)，他們就是牛頓和愛(ài)因斯坦。
牛頓在 17 世紀(jì)提出了萬(wàn)有引力定律，認(rèn)為任何兩個(gè)物體之間都存在著一個(gè)與它們的質(zhì)量成正比、與它們之間距離的平方成反比的吸引力。愛(ài)因斯坦在 20 世紀(jì)提出了廣義相對(duì)論，認(rèn)為引力不是一種真正的力，而是由物質(zhì)和能量對(duì)時(shí)空造成的彎曲所導(dǎo)致的一種幾何效應(yīng)。
萬(wàn)有引力定律和廣義相對(duì)論是目前最廣泛接受的兩種引力理論，它們能夠解釋大多數(shù)引力現(xiàn)象。但在某些情況下，例如研究星系旋轉(zhuǎn)、星系團(tuán)質(zhì)量分布、宇宙膨脹等現(xiàn)象時(shí)，它們給出的結(jié)果往往與觀測(cè)數(shù)據(jù)不一致。為了解釋這些現(xiàn)象，科學(xué)家不得不假設(shè)宇宙中存在暗物質(zhì)和暗能量，這兩種神秘的成分大約占了宇宙總質(zhì)能的 95%，但卻沒(méi)有直接被探測(cè)到。
引力不與距離的平方成反比？
不過(guò)，一些科學(xué)家還提出了一些修正的引力理論，試圖用一個(gè)更簡(jiǎn)單和自洽的框架來(lái)解釋引力現(xiàn)象，而不需要引入暗物質(zhì)和暗能量等額外的假設(shè)。
其中最著名的一個(gè)理論就是修正牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）理論，它是以色列物理學(xué)家莫德海?米爾格羅姆（Mordehai Milgrom）于 1983 年提出的。MOND 理論認(rèn)為，牛頓和愛(ài)因斯坦的引力理論只適用于高加速度的情況，而在低加速度下，引力會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致不同于預(yù)期的效果。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)物體受到的引力加速度小于每平方秒 0.1 納米時(shí)，物體之間所受到的引力與它們之間距離成反比，而不是與距離的平方成反比。
雖然 MOND 可以解釋一些星系邊緣的異常高的旋轉(zhuǎn)速度，但它并不能解釋所有星系的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，科學(xué)家仍需要用暗物質(zhì)才可以解釋。它也不能解釋一些暗物質(zhì)理論可以解釋的現(xiàn)象，例如宇宙微波背景輻射中的溫度漲落和大尺度結(jié)構(gòu)形成。此外，它還不能很好地與廣義相對(duì)論相協(xié)調(diào)。
長(zhǎng)周期雙星揭示引力奧秘
盡管如此，韓國(guó)世宗大學(xué)的天文學(xué)家蔡圭賢（Kyu-Hyun Chae，音譯）最近就發(fā)現(xiàn)，一些觀測(cè)數(shù)據(jù)竟然與 MOND 理論相符。
利用歐洲航天局蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，他分析了離地球不超過(guò) 650 光年范圍內(nèi)的 26,500 對(duì)長(zhǎng)周期雙星。長(zhǎng)周期雙星是由兩顆相距很遠(yuǎn)但相互繞轉(zhuǎn)的恒星組成，它們的軌道周期通常在幾千年以上。這些雙星受到的引力加速度非常低，而且它們受到暗物質(zhì)的影響非常小，這使得它們成為檢驗(yàn)低加速度下當(dāng)前引力理論是否有效的理想研究對(duì)象。
雖然科學(xué)家以前也嘗試過(guò)利用長(zhǎng)周期雙星來(lái)檢測(cè)引力，但都沒(méi)有取得決定性的結(jié)果。然而，在蔡圭賢的研究中，他編寫了一個(gè) Python 程序，能夠精確地計(jì)算雙星所受的引力加速度，從而得到了可靠的研究結(jié)果。
他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩顆恒星以低于每平方秒 1 納米的加速度相互繞轉(zhuǎn)時(shí)，它們開始偏離萬(wàn)有引力定律和廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)。當(dāng)這些恒星的引力加速度降低到每平方秒 0.1 納米以下時(shí)，它們受到的加速度比牛頓或愛(ài)因斯坦理論預(yù)測(cè)的高出約 30% 至 40%。這一差異的顯著性非常高，達(dá)到一項(xiàng)研究可被稱為“發(fā)現(xiàn)”所需的標(biāo)準(zhǔn)，即標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到 5 西格瑪（換算成誤差率，大約為 0.00006%）。
蔡圭賢認(rèn)為，這是因?yàn)樵谶@種情況下，引力開始遵循 MOND 理論而不是牛頓或愛(ài)因斯坦的理論來(lái)運(yùn)動(dòng)。他還發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)與 AQUAL 理論更相符。AQUAL 理論是對(duì) MOND 理論的改進(jìn)，是由米爾格若姆與以色列裔美國(guó)物理學(xué)家雅各布?貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）共同提出的。
引發(fā)新的物理學(xué)革命？
這是迄今為止最直接和最有力的證據(jù)，表明在低加速度下，牛頓和愛(ài)因斯坦的引力理論會(huì)“崩潰”，需要用改進(jìn)的引力理論來(lái)取代。
這對(duì)于物理學(xué)和天文學(xué)的意義是巨大的，它可能引發(fā)一個(gè)新的物理學(xué)革命。如果 MOND 被證實(shí)為正確，那么我們對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)將會(huì)發(fā)生根本性的變化。我們甚至可能不再需要假設(shè)暗物質(zhì)和暗能量的存在，而可以用一個(gè)更簡(jiǎn)單和更優(yōu)美的理論來(lái)描述所有的引力現(xiàn)象。
當(dāng)然，蔡圭賢的研究也有一些局限性。例如，他只考慮了雙星系統(tǒng)，而沒(méi)有考慮其他類型的天體系統(tǒng)，如星團(tuán)或星系。因此，這項(xiàng)研究只是對(duì)引力理論的一個(gè)初步探索，需要更多的數(shù)據(jù)和分析來(lái)驗(yàn)證和改進(jìn)。而且，就像我們之前所說(shuō)的，MOND 理論本身還存在著許多問(wèn)題，也需要進(jìn)一步發(fā)展和完善。無(wú)論如何，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為我們展示了一個(gè)更奇妙和更神秘的宇宙。
參考文獻(xiàn)：
https://dx.doi.org/10.3847/1538-4357/ace101
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