弱引力环境下数据有偏差

克雷西 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

物理学的大厦，要迎来新的乌云了？(手动狗头)

欧洲航天局盖亚望远镜的一组观测数据，让牛顿和爱因斯坦的力学理论受到了天文学者的挑战。

发现者称，如果结论成立，将在整个物理学界产生巨大影响。

这一发现是韩国世宗大学Kyu-Hyun Chae教授提出的。

目前，Chae教授的论文已在The Astrophysical Journal上发表。

通过分析盖亚望远镜数据，他发现了双星系统之间存在引力异常。

Chae教授表示，现有的经典力学理论和广义相对论都无法解释这一现象。

对于这一发现的意义，Chae对科技媒体Motherboard这样说：

我认为我们现在正在进入一个极其激动人心的时期。

麦克斯韦电磁理论的「紫外灾难」一个多世纪前被发现，它最终引发了量子物理(的提出)。

我们现在正在经历一场低加速度的「重力灾难」。我不知道它将引领世界走向何方，但我感到很兴奋。

对此，网友们虽然抱有一定怀疑态度，但也表示如果Chae教授的结果正确，将成为一件大事。

那么，Chae教授究竟发现了双星系统中什么样的异常呢？

广义相对论受到挑战

Chae教授研究了盖亚DR3数据集中的2万6千多组双星系统的有关数据。

他发现，在弱引力加速度条件下，星体的运动与牛顿-爱因斯坦理论模型有明显偏差。

Chae教授将观测到的天体运动二维投影中的线速度和半径通过蒙特卡罗方法反投影到三维空间，得到三维线速度v和半径r。

按照牛顿的引力模型，引力加速度g(N)=GM/r²。

（G为万有引力常数，M为中心天体质量）

而做圆周运动的天体的加速度a(该环境下与g(N)相等)为v²/r。

但当引力加速度g(N)≲10^-9m/s²时，两式的结果出现了明显偏差。

当g(N)≈10^−8.91和10^−10.15m/s²时，观测值与理论值的偏差分别为0.034±0.007和0.109±0.013 。

在10^−10.15m/s²处，实测值与理论值的比例达到了1.43。

过去，人们常常用暗物质来解释观测数据的异常。

但Chae教授认为这种解释方式不能适用于双星系统——暗物质对系统内部的引力没有影响。

因此，暗物质是否存在也受到了质疑，Chae教授这样说：

现有信息不能排除存在其他未知粒子干扰的可能，但数量绝不像暗物质那么多。

如果这些发现被证实，且不是因为其他介入因素所致，将得出一个惊人的结论：

牛顿的经典力学体系在低速条件下同样不能适用。

而牛顿的经典力学体系是广义相对论的一个极限，如果被打破，意味着广义相对论同样需要修改。

对于这一异常现象，Chae教授引用了一种修正模型进行解释。

如果理论有误，该如何修正？

Chae教授所引用的AQUAL是一种MOND模型(Modified Newtonian Dynamics) ，即在牛顿力学体系的基础上进行了一些修改。

AQUAL是一种二次拉格朗日理论，在1984年由Bekenstein和Milgrom提出。

AQUAL引入了一个临界加速度a(0)，在加速度远小于a(0)时适用其他规律。

同时，AQUAL预测围绕中心引力的轨道速度不再遵循牛顿的平方反比定律。

对于盖亚望远镜的发型，这个模型的确能比较好地解释。

不过也有网友表示，AUQAL这种MOND模型同样存在问题。

对此，Chae教授也告诉Motherboard，还要继续进行观察和理论工作，而且本文是基于特殊情况进行的讨论，在这种情况之外，牛顿经典力学和爱因斯坦的广义相对论依旧是重要的基础理论。

总之，现象背后的本质仍有待进一步发掘，各位读者朋友们不妨让子弹再飞一会儿……

论文地址：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ace101
参考链接：
[1]https://thenextweb.com/news/einstein-newton-gravity-gaia-telescope-space
[2]https://www.vice.com/en/article/ak3jwb/unbelievable-astronomer-claims-direct-evidence-of-gravity-breaking-down
[3]https://news.ycombinator.com/item?id=37073494