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弱場下的引力理論:牛頓-愛因斯坦的標準引力理論是否還適用?

發布時間:2025-10-22閱讀(5)

引力是物理學中最基本和最重要的力之一,它描述了質量之間的相互吸引。自從牛頓在1687年提出了經典的萬有引力定律,人類就開始了對引力的探索和理解。然而,牛頓的引力定律并不能完全解釋一些現象,比如水星的近日點進動,以及光線在強引力場中的偏折。為了解決這些問題,愛因斯坦在1915年提出了廣義相對論,這是一種基于時空彎曲來描述引力的理論。廣義相對論不僅能夠解釋牛頓引力定律無法解釋的現象,還預言了一些新的現象,比如引力波,黑洞和引力透鏡等。

廣義相對論被認為是目前最完善和最精確的引力理論,它已經通過了許多實驗和觀測的驗證。然而,這并不意味著廣義相對論是完美無缺的,它仍然存在一些難以解決的問題和挑戰。例如,廣義相對論與量子力學之間的不兼容性,以及宇宙加速膨脹和暗物質等未知現象的起源和本質等。因此,物理學家們一直在尋找更加普遍和完備的引力理論,也就是所謂的量子引力理論或者超越廣義相對論的理論。

在尋找新的引力理論的過程中,一個重要的問題是如何檢驗和區分不同的理論。一種常用的方法是尋找那些廣義相對論無法正確預測或者與實驗數據不符合的情況,也就是所謂的異常或者偏差。這些異常或者偏差可能是新理論存在的線索或者證據。然而,在大多數情況下,廣義相對論都能夠非常好地符合實驗數據,因此要找到異常或者偏差并不容易。一個可能的方向是探索那些極端或者未知的物理環境,比如高能量、高密度、高曲率、高速度等情況。這些情況下,廣義相對論可能會失效或者出現奇異性。

除了上述極端情況外,還有一種看似平凡但實際上非常有趣和重要的情況,那就是低加速度或者弱場極限下的引力理論。低加速度或者弱場極限下的引力理論通常被認為是牛頓-愛因斯坦(NE)標準引力理論。NE標準引力理論是指在低加速度或者弱場極限下,廣義相對論退化為牛頓引力定律,并且只有一個額外的修正項,即愛因斯坦的引力場方程的線性化近似。NE標準引力理論被認為是非常精確和可靠的,它能夠解釋大多數低加速度或者弱場極限下的引力現象,比如太陽系中的行星運動,地球上的重力實驗,以及銀河系中的恒星運動等。

然而,NE標準引力理論并不是唯一可能的低加速度或者弱場極限下的引力理論。事實上,存在一些超越廣義相對論的理論,在低加速度或者弱場極限下,會產生與NE標準引力理論不同的結果。這些理論通常被稱為改進牛頓-愛因斯坦(MNE)引力理論。MNE引力理論是指在低加速度或者弱場極限下,廣義相對論不僅退化為牛頓引力定律,并且有多個額外的修正項,而不僅僅是愛因斯坦的引力場方程的線性化近似。

MNE引力理論可能是由于以下原因而產生的:廣義相對論中存在一些額外的物理成分,比如標量場、矢量場、張量場等,它們會影響時空的幾何和動力學。廣義相對論中存在一些額外的物理效應,比如非最小耦合、非線性效應、高階導數項等,它們會改變時空的性質和行為。廣義相對論中存在一些額外的物理原理,比如對稱性、規范不變性、量子化等,它們會約束時空的結構和演化。

MNE引力理論在低加速度或者弱場極限下,會產生一些新的現象和效應,比如額外的引力常數、額外的引力勢能、額外的引力波模式等。這些現象和效應可能會導致與NE標準引力理論不同的預測和觀測結果。因此,通過比較MNE引力理論和NE標準引力理論在低加速度或者弱場極限下的表現,可以檢驗和區分不同的引力理論。

那么,在低加速度或者弱場極限下,牛頓-愛因斯坦的標準引力理論是否還適用呢?目前,這個問題還沒有確定的答案。一方面,有一些實驗和觀測數據支持NE標準引力理論在低加速度或者弱場極限下是正確和有效的。例如,在太陽系中,NE標準引力理論能夠非常精確地描述行星運動,并且與無線電測距、激光測距、衛星軌道等數據相符合。在地球上,NE標準引力理論能夠非常精確地描述重力實驗,并且與扭擺、重力梯度儀、原子干涉儀等數據相符合。在銀河系中,NE標準引力理論能夠非常精確地描述恒星運動,并且與恒星視差、恒星光譜、恒星光變等數據相符合。

另一方面,也有一些實驗和觀測數據顯示NE標準引力理論在低加速度或者弱場極限下可能存在一些問題和不足。例如,在星系尺度上,NE標準引力理論無法解釋星系旋轉曲線的平坦性,以及星系團中的引力透鏡效應等現象。為了解決這些問題,物理學家們提出了兩種可能的方案:一種是假設存在一種看不見的物質,即暗物質,它會增加星系和星系團中的引力作用;另一種是假設NE標準引力理論在低加速度或者弱場極限下是不完整或者不正確的,需要被MNE引力理論所取代。目前,暗物質的假設還沒有得到直接的實驗證據,而MNE引力理論則有許多不同的版本和變體,比如改進牛頓動力學(MOND)、張量-矢量-標量理論、弱場極限廣義相對論等。

最近一篇發表在《天體物理雜志》上的論文提出了一個令人驚訝的發現:在低加速度下,牛頓-愛因斯坦的標準引力理論可能會失效。這篇論文利用歐洲空間局發布的Gaia DR3數據庫中的數據,對一類特殊的恒星系統——寬雙星進行了詳細的分析。

寬雙星是指由兩顆相距很遠(通常超過1000天文單位)但相互引力綁定的恒星組成的系統。由于它們之間的距離很大,所以它們之間的引力加速度很小,一般小于10^-9米每秒平方。這樣的系統可以作為檢驗引力理論在低加速度極限下是否有效的理想實驗室。從Gaia DR3數據庫中篩選出了26615個距離地球200秒差距以內、具有可靠距離、自行和恒星質量估計的寬雙星樣本,并對它們進行了統計分析。(www.wS46.com)

然后,他利用一種蒙特卡羅方法,將觀測到的寬雙星在天球上投影的運動和分離轉換為三維空間中相對于質心系的速度v和距離r,并計算了兩個重要的物理量:引力加速度gN和運動加速度g。如果牛頓-愛因斯坦的標準引力理論成立,那么這兩個加速度應該相等,即g=gN。

然而,他們發現,在低加速度下,這兩個加速度之間并不相等,而是存在一個系統的偏差。他定義了一個重力異常參數δ,用來衡量觀測到的加速度g和牛頓理論預測的加速度gN之間的差異。他發現,在gN約為10^-8.91和10^-10.15米每秒平方的兩個區間,這個參數δ分別為0.034±0.007和0.109±0.013,這意味著觀測到的加速度比理論預測的加速度要大出3.4%和10.9%,并且這個偏差具有10σ的顯著性水平。這個結果表明,在低加速度下,牛頓-愛因斯坦的標準引力理論會出現破壞,也就是說,引力不再遵循平方反比定律。

當然,這并不意味著NE標準引力理論就是不正確的,因為它還面臨著其他方面的挑戰,比如存在未知的暗能量或暗流體,或者存在某種量子引力效應等。

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