廣義相對論遭遇挑戰，地球和太陽距離在加大

太陽表面巨大冕環細節照 資料圖片

西班牙《趣味》月刊2015年10月號刊登《對不上的碎片》一文，作者為米格爾·安赫爾·薩巴代爾。文章稱，科學界有人對尋找暗物質或暗能量這些幽靈實體的行為提出批評，但如果不假設這些幽靈實體的存在，廣義相對論就解釋不通。或許應該修改甚至使用新的引力理論來替換愛因斯坦的廣義相對論。

廣義相對論和量子力學是宇宙論的核心學說，被視為現代物理學的兩大支柱。事實上，最近幾十年專家的大部分努力都集中在將兩種理論合二為一上。因為愛因斯坦的精妙理論在原子領域說不通，如果要在原子領域實行廣義相對論，就必須把它量子化，但目前科學家還做不到這一點，阿根廷物理學家胡安·馬丁·馬爾達塞納總結說，「這兩大理論並不非常吻合」。

文章稱，雖然有這種不合，但是廣義相對論在描述大尺度的引力活動時是相當準確的。雖然愛因斯坦的所有預言已經得到了實驗證明，但還有一些細節似乎與理論並不相符。

月亮的某些活動顯示了這種不相符。2006年，美國噴氣推進實驗室(JPL)研究員詹姆斯·G。威廉斯在對地月距離進行38年的測量後，發現地月之間最遠點和最近點之間的差距每年增長6毫米。即使考慮可能導致這種現象的各種因素，例如地球和月亮內部的潮汐摩擦，也無法破解這個謎團。

地球和太陽之間的距離在加大，原因不明

文章稱，當天文學家確定天文單位(UA)的值時，發生了類似的事情。天文單位是長度單位，約等於地球跟太陽的平均距離，誤差範圍在1米到10米之間，因此我們可以用一個確切的12位數來確定它的數值(1UA=149，597，870，700米)。然而JPL研究員厄蘭·邁爾斯·斯坦迪什在2004年指出，UA似乎隨著時間在增長。同一年，聖彼得堡應用天文學研究所的兩位科學家查看了20萬多份觀察資料，發現看似穩定不變的UA每100年增加15米。2005年俄羅斯科學院科研人員葉連娜·皮季耶娃公布了一份更為詳細的分析，內容包括從1913年到2003年的31.7萬份記錄，結果顯示UA距離每一個世紀拉伸7米左右。

所有這些研究工作令太陽系中的一個不解之謎變得更加神秘。90年代末期，一群科學家查看了「先驅者」10號探測器在11年內以及「先驅者」11號探測器在4年內收集到的數據。發現探測器的飛行速度有微弱但是持久的減退：在1998年，10號探測器的距離比預定地點近5.8萬公里，11號探測器近了6千公里。與探測器跟我們相距105億公里的距離比起來，這些差距微不足道，但是飛行器是不應該出現這種偏差的。是什麼阻止了「先驅者」探測器的前進呢？

文章稱，奇怪之處不止於此。2008年，JPL的科研人員宣布，他們發現6艘飛往其他星球的飛船在藉助地球引力場飛近地球時，其軌道能源出現了偏差，令它們的速度比設定速度加大了一點點。可能導致這種意外加速的因素，例如地球大氣層、潮汐、探測器負重、磁場、太陽風等，它們的力量都比這種加速需要的力量小1千倍。這些奇怪的現象是否說明我們關於引力的理論其中有些點說不通呢？

廣義相對論在科學界的地位是如此堅實，大部分科學家都不覺得它需要修改。然而也有些人認為它有需要修改之處。最重要的是要增加關於暗物質的描述。1933年天文學家弗里茨·茲維基猜測可能會有暗物質的存在，他發現後發星座和處女座星團的移動速度非常之高，如果外表可看見的就是它們的全部質量，那麼它們早就應該消散在太空。茲維基認為，唯一的解釋是存在望遠鏡看不到的物質。茲維基稱之為消失的質量，這種質量再沒有出現在天文學中，直到1977年。

銀河的質量應該比看起來的大10倍

1977年，天文學家薇拉·魯賓發現在銀河系等螺旋星系邊緣地帶的星體的運動速度並不像理論所預測的那樣，因為根據廣義相對論，恆星離星系中心越遠，其運動速度應該越慢，但是螺旋星系外側的恆星運動的速度卻與其他恆星一樣。而這樣的速度，需要有更大得多的質量聚集在星體或者星雲上。例如如果是銀河系的話，它的質量應該是現在的10倍。

文章稱，一種可能是，假設存在那些大量的無法檢測到的物質，它既不吸收也不發射能量。另一種可能是承認我們的引力理論不夠完善，因此應該修改愛因斯坦和牛頓的理論。這兩種選擇都很極端：一個是我們假設引力在宇宙範圍不像我們想像的那樣運行，另一個是我們假設宇宙中存在我們對其一無所知的幽靈實體。如果是後一種假設，天體物理學需要我們展開誠意的、真正的行動。

加拿大多倫多大學物理學家約翰·W。莫法特解釋說，「暗物質在宇宙初始階段沒有發揮任何作用」，「然後宇宙開始膨脹，宇宙大爆炸40萬年後，事情起了變化。如果我們假設重子物質(即普通物質)是宇宙中唯一的物質，那近期的所有數據就都解釋不通，當前的標準模式應該引入其他物質，這樣愛因斯坦的引力論才能符合數據」。根據這位引力專家，「尋找暗物質或將成為最大的徒勞無功的實驗，無論是諾貝爾獎得主艾伯特·亞伯拉罕·米切爾森還是物理化學家愛德華·莫利，在19世紀末期都沒有發現能媒」。

雖然很少，但在1997年，人們發現，宇宙在加速膨脹，這在廣義相對論中是不可能的，一定是有因素在推動。於是誕生了一個比暗物質更加奇怪的概念。我們談論的是一種誰也不太了解的具有推動作用的物質，它被稱之為暗能量。日內瓦大學的馬丁·孔茨和多梅尼科·薩波內教授認為，問題在於我們無法通過實驗區分，這到底是一種現象還是一種修改後的引力理論。

引力極弱地區的定律

德國波恩大學教授貝努瓦·法馬伊也認為，必須對引力論做一些修改。「暗物質似乎懂得如何與普通物質搭配。無論我們觀察什麼星系，可見物質的重力和暗物質輻射的比例都是一樣的，就像兩者商量好了一樣。這讓人詫異，因為我們原本以為兩者之間的關係取決於每個星系的特殊歷史」。

1983年，以色列物理學家莫爾德艾·米爾格龍公布了一個模型，根據該模型，引力在物質厚度極其稀薄的地方作用方式不同。因此，就像牛頓的理論在強烈的引力場不適用一樣，愛因斯坦的引力論在這些地區也應該被替換，或許需要為引力極弱地區提出一個新的定律。這個模型雖然得到了一些擁護者，但是所謂的修正牛頓動力學說還是面對重大障礙，無論從理論上還是實驗上皆是如此，因為它並不非常符合對銀河星團X射線的最新觀察結果。

文章稱，一個可能性更大的替代理論是上文的物理學家約翰·W·莫法特提出的經過修改的引力論。該理論的核心內容是比較電磁場和引力場的方程式。結果並不為大家所樂見，一方面它提出了一種未知力量，另一方面它認為著名的常數--重力實際上並不是一個常數，光速也不是，但重力與光速的商確實是不變的。最後，時間會告訴我們，哪一種理論才是真理。

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