潜伏在宇宙中的不明引力

报告称，月球近地点和远地点之间的距离差正在以意料之外的每年6毫米的速度增长。不过有些人认为并不需要担心。因为地球和月球间的潮汐力也会作用于月球的轨道。

但在考虑了潮汐的作用之后，科学家们还是发现了月球轨道中剩下的无法解释的变化。他们计算发现潮汐确实能造成月球轨道的变化，但实际的变化速度是理论的大约3倍。对此目前还没有一个清楚的解释。

地球在远离太阳?

2004年美国航空航天局喷气推进实验室的科学家发现，作为天文单位的太阳系的距离尺度似乎在变大，因此这也等效为太阳的引力在变大。

天文单位——太阳和地球间的平均距离被认为是一个天文常数。科学家使用雷达测距技术来测量地球和行星之间的距离，进而得出天文单位的数值。天文学家测得的天文单位已经具有了11位有效数字，这也使得它成为了被测量得最精准的天文常数。

使用激光我们可以确定月球到地球的距离，但是由于行星距离我们太远，因此要改用雷达。激光测月的精度已经达到了大约1厘米的水平，而雷达测距的精度则为1米～10米。在火星上有三个和飞机上所使用的非常相似的无线电应答器。这些应答器分别装载在“海盗1”号着陆器、“海盗2”号着陆器以及“火星探路者”探测器上。

位于美国加州、澳大利亚和西班牙的美国航空航天局深空探测网可以测量着陆器和地球之间的距离。但是应答器和月亮上激光反射镜不同，它的运转需要探测器提供能源。

1976年～1997年积累下来的火星着陆器数据为探测行星轨道运动提供了宝贵的资料。

俄罗斯圣彼得堡应用天文研究所的科学家使用这些数据以及其他的资料分析了204000个观测结果。他们在2004年发现，天文单位正在以每世纪15米的速度增长。

2005年又公布了对从1913年～2003年317000次观测更为详细的分析结果。这一分析是在广义相对论框架下进行的，它也是对广义相对论在引力系统中最好的检验之一。这一结果将太阳系的距离尺度(天文单位)确定到了1米的精度。在这一精度下，1967年～2003年的位置资料显示天文单位正在随着时间变大。

最新的测量结果显示天文单位正在以每世纪7米的速度增长。但是如何来解释这一现象呢?

“先驱者”号异常

奇怪的引力现象并不仅仅局限在太阳系的自然天体上。正沿着二个相反方向离开太阳系的“先驱者10”号和“先驱者11”号也存在着异常，它们所在位置与理论预言的也对不上。

“先驱者10”号发射于1972年3月2日。1973年12月4日飞过木星，并借助木星的引力来飞出太阳系。现在“先驱者10”号已经越过了所有的大行星，距离太阳96个天文单位，并且正在以每年2.5个天文单位的速度向太阳系外进发。以目前的速度，它会在200万年内到达毕宿五(金牛a)附近。

“先驱者11”号发射于1973年4月6日。当它在1974年12月2日飞临木星的时候，木星的引力把它推入了会和土星相会的轨道。1979年9月1日“先驱者11”号抵达土星，然后又借助土星的引力最终踏上了远赴太阳系之外的征程。和“先驱者10”号相比，“先驱者11”号到太阳的距离要更近一些，距离太阳大约75个天文单位。同时它的速度也要稍慢一些，每年朝天鹰座方向前进2.4个天文单位。在大约400万年之后它会从天鹰λ附近穿过。

深空探测网在与它们失去联系前一直跟踪着这二个探测器。在20世纪90年代末，来自不同单位的多名美国科学家分析了“先驱者10”号为期11年和“先驱者11”号为期4年的深空探测网观测资料。

跟踪数据显示，1998年“先驱者10”号的位置比根据牛顿和爱因斯坦的引力理论计算的近了58000千米。当这一研究小组在1998年公布这一结果的时候，他们提出这一偏差可能是由于某种未知的作用在探测器上的力或者是观测数据中存在系统误差所造成的。但是10多年过去了，至今还没有人能对此给出一个令人满意的解答。

“先驱者11”号的情况也差不多。从4年的跟踪数据来看，它的距离比预期

的要近了大约6000千米。这就好像有某种力作用在这二个探测器上。使得它们在以恒定的速率减速。

不幸的是，同样正在飞离太阳系的“旅行者”号探测器无法用来检验这一异常现象。原因就在于“旅行者”号探测器会不断地喷射气体来保持自身的平衡。而这一做法就使得它们无法用于精确地探测太阳系中的引力。

检验这一异常的最佳机会是于2006年1月19日发射的冥王星探测器“新视野”号。它于2007年2月28日飞过了木星，目前它和“先驱者”号一样正通过自身的旋转来保持稳定，以等待2015年7月最终到达冥王星。然而，与“先驱者”号不同的是，“新视野”号不是被设计来精确跟踪它的轨道的。也许在2011年“新视野”上有限的跟踪系统能告诉我们一些有关“先驱者”号异常的线索。

地球附近也有古怪

2008年美国喷气推进实验室的科学家们又发现了新的引力异常，只不过这一次出现异常的地方就在地球附近。他们发现6个借助地球引力助推的探测器能量存在异常变化，而这些异常的变化无法用牛顿引力定律来解释。

1990年12月“伽利略”探测器飞掠地球时，在深空探测网的跟踪数据中第一次发现了这一异常。当时“伽利略”号距离地球大约200万千米，正以每秒8891米的速度向地球靠近。在考虑了所有来自月亮、太阳和其他行星的已知引力效应之后，科学家们预计当“伽利略”号离开地球到相同的距离时也应该具有相同的速度。然而，测量却发现它的运动速度比预想的要快。它超速了每秒4毫米，尽管这个值非常小，但是它实实在在地就在观测数据里。于是科学家们决定等待更多的探测器飞掠地球的事件，以便来确认它们是否也存在着类似的速度变化。

2年之后“伽利略”探测器再一次飞过地球，不过这一次它飞进了地球上层大气，因此无法用来测量微小的引力效应。

再下一个飞掠的是1998年1月的“舒梅克”近地小行星探测器，观测发现也存在着加速现象。它的加速效应大约是“伽利略”的3倍，达到了每秒13.5毫米。这一结果着实把科学家们给难住了。是什么为探测器注入了能量并且让它们加速的呢?科学家们还在2005年3月的“罗塞塔”探测器上观测到了类似的现象，这次它的反常速度为每秒2毫米。2007年11月13日“罗塞塔”探测器又一次飞掠地球进行另一次引力助推。这次飞掠的高度为5295千米，没有发现任何反常效应。2009年11月13日“罗塞塔”探测器最后一次飞掠地球，并借助地球的引力飞向最终的目标丘留莫夫—格拉西缅科彗星。

计划于2011年8月发射的“朱诺”木星探测器会在2013年10月飞掠地球进行引力助推，这将是近期观测这一效应是否属实的绝佳机会。

引力之外的东西?

这些异常给我们带来了一些新东西。天文学家们正在尝试把不同的探测器速度变化联系起来。许多人相信“先驱者”号探测器自身的热辐射造成了测量结果和理论预言之间的偏差，而一些科学家则发现“先驱者”号异常的70％可以用热辐射来解释。如果热辐射确实是异常的罪魁祸首的话，那么随着探测器上能源的枯竭，“先驱者”号减速的幅度应该持续减小。但是天文学家并没有观测到这一现象。在11年的时间里“先驱者”号的减速速率基本保持不变。

2006年德国的科学家研究并且排除了有关“先驱者”号以及地球飞掠异常的许多解释，这其中包括地球大气、海洋潮汐、地球固体潮、探测器带电、磁矩、地球反照率以及太阳风等原因。它们的贡献都不足飞掠异常的10％，而且绝大多数效应所能产生的影响都不足观测到的1‰。

新物理学?

尽管科学家们都相信这些太阳系的异常现象背后都有一定的解释，但是没人能给出一个清晰的源头。一种观点是，新的引力理论可以解释观测到的异常。也许天文学正在经历向一种新的物理学或者至少是一种新的引力理论的转变。

从20世纪70年代以来，天文学家就已经知道，星系外围物质的运动违反了牛顿引力定律。

原先以为，星系中恒星的公转速度会随着到星系中心距离的增加而减小。但观测到的结果却并非如此。与逐渐减小不同，在星系中很大的范围内，不同距离上的天体绕星系中心转动的速度几乎都完全相同。

天文学家为此假设星系中还存在着大量看不见的物质，它们束缚住了星系中的恒星。由于这些额外的物质只参与引力作用而又无法被观测到，因此被称为“暗物质”。于是在暗物质的帮助下，观测结果又能和牛顿引力相符合了。

然而，1983年以色列的科学家又提出了另一种观点，用“修改的牛顿动力学”来解释观测到的星系运动。这算不上是一个新的理论，但是这一修改却可以和观测数据相吻合。

修改的牛顿动力学认为牛顿动力学在密度极低的环境下将不再适用。正如它的名字，它通过修改牛顿动力学使得引力可以在低密度系统中变强。它可以在不需要暗物质假设的情况下解释星系外围恒星的运动，在那里牛顿运动定律发生了改变。

在靠近星系中心的地方以及太阳系内，原来的牛顿定律和爱因斯坦的广义相对论依然适用。

如果有一天我们终于发现是什么造成了探测器预料之外的加速和异常以及月球轨道和太阳引力的变化，那兴许将会是一次新的飞跃。

(张小宁　插图)

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