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。

參考文獻

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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.
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