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发信人: qqhlm(卍) 整理人: 2sinxcosx(2003-10-23 19:55:38), 站内信件 |
| 万有引力的不足
1.1.1证实重力的速度 ─ 别那么快 本月初，美国多家新闻媒体同时报道了有关重力速度的最新发现。 他们声称：物理学家Sergei Kopeikin对木星的观察表明重力通过太空的速度和光速相同。这一发现首次证实了爱因斯坦在近一个世纪前的预测。 然而，事实并不一定是这么回事。在本月17日的《科学》杂志上[1]， Robert Irion 撰文指出：一些物理学家认为Kopeikin的研究实际上是测定的光速而非重力的速度。和媒体相反，美国科学界对Kopeikin 的结果是持审慎态度的。 可以理解，新闻媒体对最新科学进展的报道很难做到尽善尽美。其实，今年第一期的《科学》杂志就发表了令人震惊的重大发现。 通过对宇宙年龄、距离和红移(redshift)的联系，宇宙几何外形这三个重要参数的独立研究和观察，美国天文学家Krauss和Chaboyer推断：宇宙天体是受到限制的，是由拮抗重力的神秘高能量所主宰的[2]。并非象哈勃(Hubble)所提出的那样：大爆炸(Big Bang)及以后的膨胀进而产生宇宙。 参考文献 1、Science, 2003年, 299卷 5605号 2、Science, 2003年, 299卷 5603号 返回目录 1.1.2科学家发现先驱者航天器轨迹明显偏离万有引力定律的预期 美国航空航天局科学家对先驱者(Pioneer)10和11号、尤利西斯(Ulysses)号等航天器的轨迹跟踪表明，这些航天器的运行轨迹明显偏离根据万有引力算出的轨道。有关结果已经发表在1998年10月5日《物理学评论快报》第81卷，2002年4月15日《物理学评论D》第65卷等权威杂志上。 
上右图为先驱者航天器示意图。 先驱者10号和先驱者11号航天器分别发射于1972年3月2日和1973年4月5日，是人类最早向外太空发射的航天器。在先驱者10号和11号分别与木星、土星相会后，两艘航天器沿著相反的方向飞向太空。先锋11号在1995年11月份最后一次发射回信号后与地面失去了联系，而先锋10号最后一次发送回信号是在今年2月份。 根据两艘航天器发送回来的无线电波信号，科学家们可以准确地定出它们的位置，在扣除行星的微扰效应、太阳辐射压力、星际物质的影响广义相对论效应以及多普勒偏差和漂移等影响后，科学家们可以精确地算出它们的加速度，计算精度高达10-10cm／s2。 从1980年起，当太阳的辐射压力小於5x10-8cm/s2后，NASA的喷气推进实验室(Jet Pr opulsion Laboratory,JPL)研究组就发现了对先驱者10号算出的加速度中有8(±3)x10-8cm/s2无从解释，该加速度方向正对著太阳。在这以后更精确的计算表明，先驱者10号和11号都受到约8.5x10-8cm/s2的向著太阳的不明来源的加速度。此后实验组考虑了各种可能的原因，诸如来自星系和基泊尔(Kuiper)行星带的引力、航天器漏气、地球进动、地球方向误差、飞船热辐射的各向异性等，发现没有一种起因可以对此加以解释，有些因素引起的加速度偏差仅是上述偏差的千分之一左右。 实验组还用两个独立的分析软件对这些轨道作了计算，结果得到了一致的结论，排除了分析软件存在缺陷导致错误的可能性。为检验所发现的加速度是否是某种未知粘滞阻力所致，考虑到粘滞阻力总是与速度方向相反，实验组还对运行轨道不沿著太阳半径方向的尤利西斯号的轨迹进行了分析，结果表明尤利西斯号轨道也受到类似的不明加速度的作用；另外，利西斯号的设计和外形都与先驱者号大不相同，所以这一加速度也不太可能由飞行器的硬件所导致。实验组对加利略号轨道的分析也得到了类似的结论，但是实验组也谨慎地说明，加利略号受太阳辐射压力影响较大，他们不能排除太阳辐射压力的作用。 在这些论文中,这些科学家还指出了与这一加速度有关的另外一个疑团，它只是影响人造飞行器而对太阳系的九大行星的运行轨迹没有显著的影响。今天人类已经能够对行星的运动进行了精确的观测，如NASA的维京(Viking)使命可以将地球和火星位置确定到误差小于100米左右，如果地球和火星有同样的效应，它们的轨道半径据推算要比现在分别小21和76公里。这一现象也不太可能是目前使天文学家们正在寻找的暗物质引起,因为暗物质会对行星施加相似的加速度。 一些科学家认为这一现象有可能是新的物理原理所致，也有的科学家认为这是因为万有引力定律在大尺度上不再成立的缘故。有的NASA科学家已经提出了进一步验证这一现象的实验设想,并已决定在以后的飞行器运行轨道设计中考虑这一他们称为先驱者号反常的现象。 参考文献 1. J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev. Lett. 81, 2858, 1998. 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. 3. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/tmp/1972-012A.html 4. http://www.newscientist.com/news/news.jsp?id=ns99993439 返回目录 1.1.3 极度清晰的哈勃图像挑战现有时空和引力理论 
另外，极度清晰的通过哈勃望远镜观测到的图像也对现有时空和引力理论提出了强烈挑战。 清晰度是天文学家及公众对哈勃太空望远镜所期待的，然而哈勃所拍摄的遥远星系的清晰度却使科学家思考为什么这些图片不模糊，因为依据一些新的计算这些图片应该模糊，同时，思考是否必须重新考虑空间、时间和引力理论的一些基本假设。 对于非常遥远星体和星系的图片进行的分析检验了量子力量的一个基本方面，它是对看不见的原子级别物理学广泛所持观点的一个集合体，并且这些观点与宇宙最大尺度级别物理概念相关。 传统观点认为，空间与时间可以整体看作为一种海绵。当光线穿过海绵时应该受到干扰，即使这种干扰非常轻微，这样随著时间的推进，光线在宇宙中穿越后，在精确望远镜上汇聚所显图像只能是模糊的。简而言之，哈勃对遥远星体所拍图像应该产生一种奇怪的效果，然而实际上却没有：哈勃图像清晰明了，与拍摄对象的距离没有关系。 根据两独立研究小组的研究结果，量子理论可能有缺陷。由Roberto Ragazzoni所领导的大利Arcetri 天体物理观测台(Asrophysical Observatory of Arcetri) 和德国马普天文所(Max Planck Institute for Astronomy)天文学家小组完成了一项最新研究。Ragazzoni认为，预期的量子效应就象地球大气层所导致的细微模糊情形，这使星体产生闪烁。 Ragazzoni解释道，当光线从遥远目标传来时，由于不同光波以略微不同的路径穿过海绵，一些光波相对于其它光波就会受到阻碍，光线就会从实际光源周围的位置传来从而导致模糊。 你没有看到一个宇宙是模糊的，他说，如果你取出任何一张哈勃太空望远镜深景图像你会看到都是非常清晰的，这足以告诉我们光线在从光源传到观测器的时空中，没有因波动起伏而发生畸变或受到干扰。 该项研究将发表于2002年4月10日出版的《天体物理杂志快报》上（Astrophysical Journal Letters）。 诸多的现代科学实验表明，万有引力以及现有的引力理论都存在这难以克服的困难和不足，随着实验技术的发展和观测技术的进一步提高，这种不足会暴露得更加明显。回首近百年来人类物理学和科学技术发展史，似乎都是在不断地重复这一相似的过程。然而今天人类科学技术的发展所受到的挑战也是空前的。实际上，造成这一结果的根本原因是人类对物质世界的认识还停留在事物的表面上，所以提出的理论也是“唯象”的。“唯象”的理论只能停留在与之相应的空间范围之内，而超出其范围，理论即出现“断层”，也就不得不从新构筑新的理论模型以克服先前理论的不足。 一段时期以来，人类已经观测到宇宙以发生了前所未有的巨大变化，这些观测到天体现象，也为人类科学技术的发展提供了前所未有的契机，能否扑捉的这些认识自然的契机取决于人类自身的“观念”的转变，能否从以前对自然认识的传统观念中解脱出来决定了人类对自然界的认识程度。 参考文献 http://www.space.com/scienceastronomy/quantum_bits_030402.html 返回目录 1.1.4 挑战万有引力定律：NASA的新实验 在中国和其它国家，都有人在空中漂浮的报导。例如一位美国记者对印度的一位高人的采访，这位高人能起空飞行。 人体能起空意味者人体和地球之间的万有引力变为零。根据万有引力定律，这表明此时人的质量为零。虽然这似乎是异想天开，但这对于美国航空航天局(NASA)来说实在太重要了。因为NASA一直希望能进行恒星际的旅行，就是能飞到其它的太阳系去。然而，即使在没有引力的外太空，还是需要将飞船加速到极高的速度，才能使这种星际旅行成为可能，然而常规的火箭技术却达不到这一点。NASA在去年7月份的一项报告中指出：“采用现有的火箭技术，要想在合理的寿命时间内到达最近的恒星，所需要的燃料的质量可以和一个行星的质量相当。”但是如果能够减小飞船的质量，那么所需要的燃料推进力就会减少，因为根据牛顿第二定律，要想达到同样的加速度，所需要的燃料推进力和质量成正比，即质量越小，则所需要的推进力越小。 经过近两年的等待，位于美国阿拉巴马州(Alabama)杭茨维尔市(Huntsville)的NASA马沙尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)即将迎来有希望挑战万有引力定律的仪器。 虽然听起来有点象天方夜谭，但是这个NASA项目的科研人员说，他们的努力是基于真正的科学，NASA已支付了600，000美元向位于俄亥俄州(Ohio)的超导器件公司(Superconductive Components, Inc.)定制这台仪器。 NASA的这个实验起源于1992年物理杂志C(Physica C)上俄国物理学家Evgeny Podkletnov的一篇论文[6]。Podkletnov在论文中宣布他发现了“引力屏蔽”效应。他把引力减小了0.05-0.3%。虽然听起来不怎么样，但对于物理学界来说，却象爆炸了一颗炸弹。因为万有引力定律是现代科学最神圣的原理之一，对它的任何违背都是对现代理论框架的威胁。如果Podkletnov的实验被证实的话，那无疑会给它的发现者带来诺贝尔奖金。 虽然仪器可能很复杂，但其基本的原理却是很简单的。它有一个直径6英寸、厚度0.25英寸的超导圆盘。这个圆盘被降温至摄氏零下233度，悬浮在一个磁场中。再施加一个电场使圆盘旋转。Podkletnov说当转速超过每分钟5000转时，置于盘上的物体就开始失去重量。 Podkletnov在论文中对他的发现是这样解释的：“重量的部份减小可能与低温下超导体晶体结构内存在的某种能量态有关。这种不同寻常的能量态可能改变了固体内电磁力、核力和引力间的相互作用，从而产生了引力屏蔽效应。”[6] 在Podkletnov之后，有一些物理学家重复了他的实验，有的说成功，有的说失败。还有一些物理学家从理论上论证了“引力屏蔽效应”的可行性[7][8]，也有的认为不行[9]。 虽然大多数物理学家对NASA的实验不抱乐观的态度，但NASA“突破推进物理项目”(Breakthrough Propulsion Physics Project)的负责人航空工程师麦克·米立斯(Marc G. Millis)说，“NASA将会保持一个开放的思想。历史告诉我们，新的发现可能来自看起来最不可能的方向。” 参考文献 [6] "A possibility of gravitational force shielding by bulk YBa2Cu3O7-x superconductor", Podkletnov, E.; Nieminen, R., Physica C, vol.203, P.441-4 (1992) [7] "Theoretical analysis of a reported weak-gravitational-shielding effect", Modanese, G., Europhysics Letters, vol. 35, P.413-18 (1996) [8] "A new theoretical approach of the gravitational shielding: Podkletnov's effect", Buzea, C. G.; Agop, M., Physica C, vol.341-348, P.307-8 (2000) [9] "Does a superconductor shield gravity?", Unnikrishnan, C. S., Physica C, vol.266, P.133-7 (1996) 返回目录 1.1.5从先驱者号轨迹反常谈“万有引力” 众所周知，“万有引力”定律是由十七世纪英国科学家牛顿发现的。牛顿根据当时对太阳系内行星运行观测的数据，结合自己和前人发现的的运动定律推导出了万有引力定律。尽管“万有引力”定律在解释行星运行上取得了成功，但是它在太阳系以外并没有得到实验的验证。先驱者号航行使人类第一次有机会精确地在“大尺度”上检测“万有引力”定律，而先驱者号的轨迹反常显示“万有引力”可能还有不为我们所知的奥秘。 旋转的星系 在星系尺度上，现在的天体观测已经发现了很多不能为“万有引力”定律解释的现象。比如星系的运动，万有引力定律就无能为力。科学家们早就发现观测到的星系旋转速度比“万有引力”定律算出的要快很多，要维系星系的运行而使它们不分崩离析，必须假设星系中星体的引力常数（表征引力强度的常数）比我们现在所知的的引力常数要强很多；或者是维持引力常数不变，假定存在着质量比我们能够观测到的普通星体质量大１０倍左右的所谓“暗物质”在维持着星系的稳定。虽然现在物理学家都是倾向于后一个假设，但是这种假设十分随意（因为科学家们对“暗物质”一无所知），这种假设也只是许多可能性中的一种，真实情况如何仍然不得而知。 几年来发现的著名的宇宙加速膨胀，更是万有引力定律无法解释的。按照现代宇宙论，宇宙起源于一次宇宙大爆炸，宇宙因大爆炸而膨胀。按照万有引力定律，宇宙的膨胀速度应该因为宇宙中星系之间的万有引力而逐渐减慢。但是自１９９８年以来，几个互相独立实验观测都证实了我们宇宙在加速膨胀。科学家为此不得不引入所谓的“暗能量”来“推动”这种膨胀。 科学家们在测量万有引力常数的实验中也发现了异常。例如在对“万有引力常数”的测定中，目前两组精确度最高的测量值虽然实验精度达到万分之一，但是奇怪的是，这两个实验数值彼此相差超过实验精度的10倍以上。还有其他一些实验组给出的数值相互之间也有很大的出入。对此，科学家们百思不得其解。现在有些科学家认为这一常数并不是真正意义上的常数，它在地球上不同的地点有着不同的数值。 在理论上，“万有引力”也是让理论物理学家最为头疼的相互作用。它与其它重要的现有物理理论如量子场论等格格不入。因此很多研究弦论和膜论的物理学家认为“万有引力”只是一种现象，真正的物理实质是什么还有待于进一步的探索。在科学家们找到其物理实质之前，引力将持续困扰着我们。 先驱者号轨迹反常还有一个令人不解之处，就是我们太阳系中自然存在的行星都没有发现这种反常加速度。难道“自然存在”的行星和人造的飞船的“万有引力”存在着某些不为我们所知的差异吗？或者“自然存在”的行星轨道有什么特殊之处？这不禁使人想起了原子中的电子轨道。在原子中，电子的“定态轨道”的确是一些很特殊的“轨道”,也许微观和宏观世界存在着某种还不为我们所知的相通之处。 参考文献 1. J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev. Lett. 81, 2858, 1998. 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. 3. http://www.npl.washington.edu/eotwash/gconst.html 4. http://imgsrc.stsci.edu/op/pubinfo/PR/2001/10/content/0110w.jpg |
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