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通過分析長周期雙星的運動狀況，科學家發現了牛頓和愛因斯坦的引力理論無法解釋的現象。這個發現意味著，我們需要一種新的引力理論來描述宇宙的奧秘。這將是一場物理學革命，對整個宇宙學有著重大的影響。

文 |陳強

引力是自然界中最基本和最普遍的力之一，它是物體之間的一種吸引作用。在科學史上，有兩位科學家對引力的研究做出了重大的貢獻，他們就是牛頓和愛因斯坦。

牛頓在 17 世紀提出了萬有引力定律，認為任何兩個物體之間都存在著一個與它們的質量成正比、與它們之間距離的平方成反比的吸引力。愛因斯坦在 20 世紀提出了廣義相對論，認為引力不是一種真正的力，而是由物質和能量對時空造成的彎曲所導致的一種幾何效應。

萬有引力定律和廣義相對論是目前最廣泛接受的兩種引力理論，它們能夠解釋大多數引力現象。但在某些情況下，例如研究星系旋轉、星系團質量分布、宇宙膨脹等現象時，它們給出的結果往往與觀測數據不一致。為了解釋這些現象，科學家不得不假設宇宙中存在暗物質和暗能量，這兩種神秘的成分大約占了宇宙總質能的 95%，但卻沒有直接被探測到。

引力不與距離的平方成反比？

不過，一些科學家還提出了一些修正的引力理論，試圖用一個更簡單和自洽的框架來解釋引力現象，而不需要引入暗物質和暗能量等額外的假設。

其中最著名的一個理論就是修正牛頓動力學（MOND）理論，它是以色列物理學家莫德海?米爾格羅姆（Mordehai Milgrom）于 1983 年提出的。MOND 理論認為，牛頓和愛因斯坦的引力理論只適用于高加速度的情況，而在低加速度下，引力會發生變化，導致不同于預期的效果。具體來說，當物體受到的引力加速度小于每平方秒 0.1 納米時，物體之間所受到的引力與它們之間距離成反比，而不是與距離的平方成反比。

雖然 MOND 可以解釋一些星系邊緣的異常高的旋轉速度，但它并不能解釋所有星系的旋轉問題，科學家仍需要用暗物質才可以解釋。它也不能解釋一些暗物質理論可以解釋的現象，例如宇宙微波背景輻射中的溫度漲落和大尺度結構形成。此外，它還不能很好地與廣義相對論相協調。

長周期雙星揭示引力奧秘

盡管如此，韓國世宗大學的天文學家蔡圭賢（Kyu-Hyun Chae，音譯）最近就發現，一些觀測數據竟然與 MOND 理論相符。

利用歐洲航天局蓋亞空間望遠鏡觀測到的數據，他分析了離地球不超過 650 光年范圍內的 26,500 對長周期雙星。長周期雙星是由兩顆相距很遠但相互繞轉的恒星組成，它們的軌道周期通常在幾千年以上。這些雙星受到的引力加速度非常低，而且它們受到暗物質的影響非常小，這使得它們成為檢驗低加速度下當前引力理論是否有效的理想研究對象。

雖然科學家以前也嘗試過利用長周期雙星來檢測引力，但都沒有取得決定性的結果。然而，在蔡圭賢的研究中，他編寫了一個 Python 程序，能夠精確地計算雙星所受的引力加速度，從而得到了可靠的研究結果。

他發現，當兩顆恒星以低于每平方秒 1 納米的加速度相互繞轉時，它們開始偏離萬有引力定律和廣義相對論的預測。當這些恒星的引力加速度降低到每平方秒 0.1 納米以下時，它們受到的加速度比牛頓或愛因斯坦理論預測的高出約 30% 至 40%。這一差異的顯著性非常高，達到一項研究可被稱為“發現”所需的標準，即標準偏差達到 5 西格瑪（換算成誤差率，大約為 0.00006%）。

蔡圭賢認為，這是因為在這種情況下，引力開始遵循 MOND 理論而不是牛頓或愛因斯坦的理論來運動。他還發現，觀測數據與 AQUAL 理論更相符。AQUAL 理論是對 MOND 理論的改進，是由米爾格若姆與以色列裔美國物理學家雅各布?貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）共同提出的。

引發新的物理學革命？

這是迄今為止最直接和最有力的證據，表明在低加速度下，牛頓和愛因斯坦的引力理論會“崩潰”，需要用改進的引力理論來取代。

這對于物理學和天文學的意義是巨大的，它可能引發一個新的物理學革命。如果 MOND 被證實為正確，那么我們對于宇宙的認識將會發生根本性的變化。我們甚至可能不再需要假設暗物質和暗能量的存在，而可以用一個更簡單和更優美的理論來描述所有的引力現象。

當然，蔡圭賢的研究也有一些局限性。例如，他只考慮了雙星系統，而沒有考慮其他類型的天體系統，如星團或星系。因此，這項研究只是對引力理論的一個初步探索，需要更多的數據和分析來驗證和改進。而且，就像我們之前所說的，MOND 理論本身還存在著許多問題，也需要進一步發展和完善。無論如何，這項發現已經為我們展示了一個更奇妙和更神秘的宇宙。

參考文獻：

• https://dx.doi.org/10.3847/1538-4357/ace101

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的牛顿和爱因斯坦的引力理论被推翻？新的物理学革命即将来临的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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