挑战牛顿万有引力定律

从现在算起的50亿年后,就算人类灭绝,或太阳膨胀把地球吞没,至少还有一件人造物品仍然会继续向遥远的星系漂游而去.官在星际太空的接近真空的环境中可以原样永存。它便是1972年发射的"开拓者10号"。现在它早已飞出太阳系,离我们129亿千米。2003年1月23日,科学家最后一次收到来自开拓者10号上钚能源无线电发射器的微弱信号,后来因信号太弱,无法到达地球,它与我们永远失去了联系。当时在场的项目主管科学家们一边听着开拓者微弱的"告别声",一边在思考一个不寻常的现象:"开拓者10号"似乎不遵循万有引力定律。科学家们发现,开拓者已经减慢下来,就好像它离太阳越远,而太阳对它的引力作用反而更大。

    "开拓者10号"并非具有这种反常现象的惟一航天艳。1973年发射的开拓者11号"在远离太阳过程中也变慢，直至1995年与NASA (国家航空和航天局)失去联系。还有2003年9月进人木星大气层的“伽俐略”。是否有可能这些航天器都发生了同一故障? 还是宇宙中的某些未知力使它们减慢? 洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家M•M-尼干托认为,这个谜团远远不是航天器硬件故障所能解开的,它说明我们对宇宙间最普遍的万有引力的理解有误。尼托坦言：“有关万有引力的一切我们知之甚少。”

    人们普遍认为,300多年前牛顿创立的万有引力定律准确无误地描述着万事万物。是否果真如此?当天文学家：试图用牛顿定律预测恒星绕星系中心的运行时,却得到错误的结果。在每一个己研究过的星系中,恒星和气体的运动速度都高于牛顿定律规定的速度,就好像星系中或其周围的隐蔽质量所产生的引力拉着它们快跑、加速。为了使计算结果与观察到的现象一致,天文学家们不得不陷入尴尬的境地。他们必需假设,在所有星系周围都存在着大量不可见物质。天文学家们干脆把这种神秘的东西称为暗物质G由于天文学家们在其熟悉的天安中未能观察到暗物质,于是一些科学家便转到地下来捕获暗物质们他们认为,由于地球总是穿行于密集的WIMP(弱相互作用块状粒子),1即低温暗物质云层中,所以应该能在地下捕获到WIMP!据计算,一秒钟内就有10万个不可见WIMP穿透你的大姆指指甲。这个地下实验室位于明尼苏达北部索丹城地下的这台仪器是为探测暗物质而专门设计的。如果实验成功,则证明牛顿定律是正确的;若不成功,则有更多事情要做。探测器的核心元件是曲棍球大小的锗硅晶体,装在直径0.6米的六边形壳体内,然后整体放在2米高,直径为27432米的圆柱形冷箱内,它可冷却至比绝对零度的华氏-459度稍高出1/5000,达到了少有的宇宙最低温度。理论家认为,WIMP的运动比中微子或宇宙射线缓慢,大约是光速的千分之一。如果有WIMP存在,并且有一颗粒子击中硅锗薄片，使薄片品格产生轻微的振动,就引起温度上升的尖峰信号。任何外部的热源也会使晶体振动,并淹没潜在的信号,这就是需要超低温度的原因。

    另一个屏蔽任务是由713米厚的矿石完成的。自然的矿山挡住来自太空的高能粒子,即宇宙射线。如有WIMP存在.它将很容易地穿透地球.直线贯通而过。在仅几磅重的探测器周围设置了11吨铅和2吨聚乙烯屏蔽层,以防止周围岩石的放射性造成虚假信号。铅是从200年前的沉船上取来的,它是船的压舱物。铅在海底多年,船上堆积的沉积周使铅和宇宙射线隔离开来,宇宙射线会在铅内部激发出WIMP掩蔽放射性。探测器在2003年秋季运行,全世界有真:他10个暗物质探测器同步在线。如果探测不到暗物质呢? 至少有几名物理学家不会感到震惊。

    其中之一就是在以色列魏茨曼科学研究所的物理学家M•米尔格罗姆。上世纪80年代初他便开始不相信暗物质,并试图不用暗物质,通过其他途径来解择星系的运动。

    走过一些弯路之后,米尔格罗姆终于找到了一种不需要暗物质,而对天体的特有运动进行解释的方法,其关键是加速度。万有引力使一切物体加速:当你从悬崖上跳下时,地球的引力拉着你,以每秒增加9.75米的速度下落。同样地,我们的太阳以及其他恒星也在朝着银河系的中心加速运功。不过这种加速只是每秒增加一个原子的宽度。这是很微弱的,只是我们在地球上感到的引力的1千亿分之一。米尔格罗姆认为,在加速度如此微小的条件下.牛顿定律会发生变化。米氏把每秒增加一百亿分之一米定义为临界加速度a0:在低于a0时,万有引力的作用就不再按牛顿确定的与加速度成正比;而可能是与加速度的平方成正比,引力变得稍大些。在低于a0时,米氏采用稍有变动的牛顿便可精确地预测星系的运动,无需引入暗物质这种莫须有的东西。星系中恒星运动比预期要快,并非因为不可见物质的引力作用,而是来自未被计入的动力,如米尔格罗姆定律所述。

    米氏把自己的脑力劳动成果称为"修订的牛顿动力学"(MONDL)。S•麦戈和其他物理学家利用MOND解释了数十个星系的运动。但大多数天文学家拒绝接受MOND,米尔格罗姆对此充分理解,他说:"科学界肯定十分挑剔,要想晃动基本定律,需有长期奋斗的决心。"米氏也清醒地认识到MOND有一些不足之处。尽管MOND可以解释星系的运动,但无人知道它为什么能解释。

    物理学家应该给米尔格罗姆更多的宽容。众所周知,牛顿定律就被爱因斯坦修改过。牛顿认为,万有号|力是任何两个有质量的物体之间瞬时和隐蔽作用的力。而爱因斯坦认为,不存在万有引力。我们所体验到的引力只是一种几何效应,是块状物使时空形状产生扭曲的结果。这似乎很抽像,无法形象化,因为我们看不到四维空间。请看喷水器划出的优美抛物线及足球运行的弧形,它们都是由地球的质量所创立的时空曲线。如果米尔格罗姆是正确的,那么牛顿和爱因斯坦的理论都需修改,大量工作还是在临界加速度a0上。

    米氏说:"这个值在宇宙论上具有重要意义,它是用光速除以宇宙的寿命期而得到的加速度。如果初速为零,那么按此加速度在宇富的寿命期结束时便可达到光速。这是我全部研究的角柱石,由此必然会建造出理论大厦。MOND还可以解释开拓者10号和11号的神秘运动。NASA喷气推进实验室的安德森与包括尼托在内的5名同事合作,于2002年底发表了有关开拓者号神秘现象的详细分析,长达到页。他们寻找一切可解释这一异常现象的证据,包括航天器上的气体漏泄,软件错误等。但一直没有找到。开拓者10和11自发射以来的几十年中,确实有什么东西使它们减速(或者说使它们朝着太阳加速),而减速的速率与MOND的预测完全一致,令人惊讶:加速度约是我们从地球引力感觉到的加速度的一百亿分之一。

    尼托和安德森真诚期望发射一个装置以精确检测开拓者的异常情况。他激动谈起这次发射有可能动摇物理学的基石。尼托从内心希望开拓者的异常是由航天器的系统误差造成的;但如果检测证明万有引力的作用方式有所改变,他也乐意接受。




——转自〈新发现〉