韩国又有新发现：天文观测数据挑战牛顿爱因斯坦理论

韩国又有新发现：天文观测数据挑战牛顿爱因斯坦理论这一发现是韩国世宗大学Kyu-HyunChae教授提出的。目前，Chae教授的论文已在TheAstrophysicalJournal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gN=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gN相等)为v²/r。但当引力加速度gN≲10-9m/s²时，两式的结果出现了明显偏差。当gN≈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(ModifiedNewtonianDynamics)，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a0，在加速度远小于a0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-down3]https://news.ycombinator.com/item?id=37073494...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377153.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377153.htm

修正牛顿力学：第九行星搜寻是否揭示了新的万有引力定律？

修正牛顿力学：第九行星搜寻是否揭示了新的万有引力定律？柯伊伯带天体（KBO）的艺术家印象图，该天体位于太阳系外缘，与太阳的距离达到惊人的40亿英里。图片来源：NASA、ESA和G.Bacon（STScI）凯斯西储大学（CaseWesternReserveUniversity）物理学教授哈什-马瑟（HarshMathur）和汉密尔顿学院（HamiltonCollege）物理学副教授凯瑟琳-布朗（KatherineBrown）在研究了银河系对外太阳系天体的影响后提出了这一论断--如果万有引力定律受一种被称为修正牛顿动力学（ModifiedNewtonianDynamics，简称MOND）的理论支配的话。哈什-马瑟资料来源：凯斯西储大学MOND提出，艾萨克-牛顿著名的万有引力定律在一定程度上是有效的。也就是说，当牛顿定律所预测的重力加速度变得足够小时，MOND允许不同的重力行为取而代之。MOND在星系尺度上的成功观测是一些科学家认为它可以替代"暗物质"的原因。"暗物质"是物理学家用来描述一种假想的物质形式，它具有引力效应，但不发射任何光。马图尔说："MOND确实能很好地解释银河系尺度的观测结果，但我没想到它会对外太阳系产生明显的影响。"他们的研究成果最近发表在《天文学报》上。马瑟尔和布朗以前研究过MOND对星系动力学的影响。但在天文学家于2016年宣布外太阳系的一些天体出现了轨道异常，可以用第九行星来解释之后，他们开始对MOND的局部效应产生了兴趣。轨道异常曾带来历史性的发现：海王星是通过其对附近天体轨道的引力牵引而被发现的，水星的微小前冲为支持爱因斯坦的广义相对论提供了早期证据，天文学家最近利用轨道动力学推断出银河系中心存在一个超大质量黑洞。布朗意识到MOND的预测可能与观测结果不符，而观测结果正是寻找第九行星的动力。她说："我们想知道支持第九行星假说的数据是否会有效地排除MOND。"凯瑟琳-布朗资料来源：汉密尔顿学院相反，马瑟尔和布朗发现，MOND恰恰预测了天文学家观测到的聚类现象。他们认为，在数百万年的时间里，外太阳系中一些天体的轨道会被银河系自身的引力场拖向一致。马瑟尔说："当他们将九号行星数据集中的天体轨道与银河系自身的引力场进行对比时，发现两者的吻合度非常惊人。"作者提醒说，目前的数据集还很小，任何其他可能性都可能被证明是正确的；例如，其他天文学家认为轨道的特殊性是观测偏差的结果。"无论结果如何，"布朗说，"这项工作凸显了外太阳系作为测试引力和研究物理学基本问题的实验室的潜力。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388615.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388615.htm

新的暗物质地图证实了爱因斯坦的宇宙理论

新的暗物质地图证实了爱因斯坦的宇宙理论一个由160多名天文学家组成的国际团队利用阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT），对占宇宙全部质量约85%的无形暗物质进行了新的揭示。这项具有里程碑意义的研究证实了爱因斯坦关于引力和宇宙学的理论，再次确认了物理学标准模型的有效性。在ACT天文台于2022年底退役之前，研究人员通过再次观察宇宙微波背景（CMB）收集了足够的数据用于研究。CMB是一种弥漫性辐射，充满了整个可观测的宇宙，传统上被认为是宇宙的第一个电磁哀号，起源于宇宙只有38万年的时候。天文学家追踪了宇宙中大型结构的引力--包括暗物质--是如何在到达地球的140亿年里扭曲CMB辐射的，就像放大镜弯曲通过镜头的光线一样。根据这些观测结果制作的新的详细地图显示，宇宙的"块状"和膨胀率与基于爱因斯坦引力理论的宇宙学标准模型一致。剑桥大学宇宙学教授BlakeSherwin说，新地图为正在进行的辩论提供了新的见解，有人称之为"宇宙学的危机"。这里的"危机"源于最近通过使用星系中恒星发出的背景光而不是仅仅使用CMB化石辐射进行的测量。这些结果似乎表明，暗物质不够"结实"，无法将宇宙捆绑在一起，使得宇宙学的标准模型本质上是"破碎的"，或者至少是不完整的。相反，用ACT观测站制作的新地图与源于标准模型的预测"很一致"。目前，不再需要编造新的物理定律来"修复"我们关于自然界如何运作的知识。普林斯顿大学物理学教授、ACT主任苏珊娜-斯塔格斯（SuzanneStaggs）说，"CMB透镜数据在追踪外面的东西的总和的能力方面，可以与更传统的对星系可见光的调查相媲美。综合来看，CMB透镜和最好的光学测量正在阐明"宇宙中所有质量的演变"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354667.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354667.htm

物理学家建议修正引力理论本身以排除暗物质和第九行星存在的可能性

物理学家建议修正引力理论本身以排除暗物质和第九行星存在的可能性19世纪，测量天王星轨道的天文学家注意到观测结果与预测之间的一些不一致，并得出结论认为天王星受到了一个巨大的未知天体引力的影响。果然，海王星很快就因此被发现了。2016年，天文学家做出了类似的预测：根据柯伊伯带中六颗冰冷天体的奇异轨道模式，一颗质量约为10个地球的未知行星可能在暗中牵引着它们。来自其他天体甚至太阳倾斜度的进一步证据似乎加强了这一推测。然而，其他科学家提出了其他解释，包括行星之间的引力"碰碰车"互动、遥远的岩石和冰盘，甚至是一个小型黑洞。现在，一个研究小组提出了一个更大胆的想法--修改引力理论本身。这并不像听起来那么离谱。虽然牛顿的万有引力定律很好地解释了宇宙的大尺度结构和运动，但它在某些情况下确实存在不足。一个多世纪以来，暗物质一直是填补牛顿定律在我们的宇宙模型中留下的漏洞的首选。这种神秘物质被认为弥漫在宇宙中，不反射或发射任何光线，只通过其强大的引力与常规物质相互作用。尽管暗物质已被广泛接受，但尽管许多实验都在寻找它，却从未直接探测到它。一些科学家认为，我们可能需要调整牛顿万有引力定律。例如，在低加速度时，万有引力的作用可能比牛顿描述的更强，这样就不需要暗物质了。这一模型被称为修正牛顿动力学（MOND），最近在星团和150多个星系中发现了支持这一模型的证据。在一项新的研究中，理论物理学家将MOND应用于寻找九号行星的数据集。根据他们的模型，如果MOND在起作用，那么外太阳系中一些天体的轨道就应该在数百万年中与银河系的引力场保持一致。令研究小组惊讶的是，他们发现这些天体的轨道集群与太阳系的观测结果完全吻合。这项研究的合著者哈什-马图尔（HarshMathur）说："这种吻合令人震惊。MOND确实能很好地解释银河系尺度的观测结果，但我没想到它会对外太阳系产生明显的影响"。虽然这项研究很吸引人，但研究小组承认数据集还很小，还有很多其他可能的解释。与此同时，对暗物质和九号行星的探索可能还会继续下去。"无论结果如何，这项工作都凸显了外太阳系作为测试引力和研究物理学基本问题的实验室的潜力，"这项研究的合著者凯瑟琳-布朗（KatherineBrown）说。这项研究发表在《天文学报》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389081.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389081.htm

爱因斯坦的广义相对论启发下的全新引力凝聚星模型：就像俄罗斯套娃

爱因斯坦的广义相对论启发下的全新引力凝聚星模型：就像俄罗斯套娃根据法兰克福歌德大学物理学家的研究结果，引力星可能看起来像一个套娃。图片来源：法兰克福歌德大学DanielJampolski和LucianoRezzolla编辑黑洞内部是什么样？这仍然是科学界的一个难题。1916年，德国物理学家卡尔-施瓦兹柴尔德（KarlSchwarzschild）概述了爱因斯坦广义相对论方程的解决方案，根据该方案，黑洞的中心由一个所谓的奇点构成，在这个点上，空间和时间都不复存在。根据这一理论，所有物理定律，包括爱因斯坦的广义相对论，在这里都不再适用；因果关系原理也被中止。这给科学带来了极大的困扰：毕竟，这意味着任何信息都无法从所谓事件视界之外的黑洞中逃逸。这可能是施瓦兹柴尔德的解决方案在很长一段时间内没有引起理论界以外的广泛关注的原因--也就是说，直到1971年发现第一个候选黑洞，随后在2000年代发现银河系中心的黑洞，最后在2019年事件视界望远镜合作组织拍摄到第一张黑洞图像。2001年，帕维尔-马祖尔（PawelMazur）和埃米尔-莫托拉（EmilMottola）对爱因斯坦的场方程提出了一种不同的解法，从而产生了他们称之为引力凝聚星（或称引力星）的天体。与黑洞相反，从理论天体物理学的角度来看，引力星有几个优点。一方面，它们几乎和黑洞一样紧凑，而且在其表面表现出的引力基本上和黑洞的引力一样强，因此在所有实际用途上都类似于黑洞。另一方面，引力星没有事件穹界，也就是说，在事件穹界之内，任何信息都无法传出，它们的核心也不包含奇点。相反，引力星的中心由一种奇异的暗能量组成，它对压缩恒星的巨大引力产生负压。引力星的表面是一层薄薄的普通物质表皮，其厚度趋近于零。法兰克福歌德大学（GoetheUniversityFrankfurt）的理论物理学家丹尼尔-詹波尔斯基（DanielJampolski）和卢西亚诺-雷佐拉（LucianoRezzolla）教授现在提出了广义相对论场方程的解决方案，描述了另一颗引力星内部存在一颗引力星。他们将这个假想天体命名为"nestar"（源自英文"nested"）。丹尼尔-詹波尔斯基（DanielJampolski）在卢西亚诺-雷佐拉（LucianoRezzolla）指导下完成的学士学位论文中发现了这一解法，他说："nestar就像一个俄罗斯套娃，我们的场方程解法可以实现一系列嵌套的引力星。"马祖尔和莫托拉认为，引力星有一个由普通物质组成的近乎无限薄的表皮，而nestar的物质组成的外壳则要厚一些："这样的东西可能存在，这就更容易想象了"。歌德大学理论天体物理学教授卢西亚诺-雷佐拉（LucianoRezzolla）解释说："在施瓦兹柴尔德提出广义相对论中爱因斯坦场方程的第一个解决方案100年后，我们仍然有可能找到新的解决方案，这真是太棒了。这有点像在一条已经被许多人走过的道路上找到一枚金币。遗憾的是，我们仍然不知道这样的引力星是如何产生的。但即使引力星不存在，探索这些解的数学特性最终也有助于我们更好地理解黑洞。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1419227.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1419227.htm

重温爱因斯坦理论：科学家利用光子晶体产生"伪引力"

重温爱因斯坦理论：科学家利用光子晶体产生"伪引力"扭曲光子晶体和光子晶体的概念图。资料来源：K.Kitamuraet.al.爱因斯坦的相对论早已确定，电磁波（包括光和太赫兹电磁波）的轨迹可以被引力场偏转。科学家们最近从理论上预测，通过在低归一化能量（或频率）区域使晶体变形，复制引力效应（即伪引力）是可能的。东北大学大学院工学研究科的KitamuraKyoko教授说："我们开始探索光子晶体的晶格变形是否能产生伪重力效应。"DPC中光束轨迹的实验装置和模拟结果光子晶体的作用光子晶体具有独特的特性，使科学家能够操纵和控制光的行为，成为晶体内光的"交通管制器"。光子晶体的构造是将两种或两种以上不同的材料周期性地排列在一起，这些材料具有不同的与光相互作用和减缓光速的能力，并以有规律的重复模式排列。此外，在光子晶体中还观察到了由于绝热变化而产生的伪重力效应。北村和她的同事通过引入晶格畸变对光子晶体进行了改造：元素间的规则间距逐渐变形，从而破坏了质子晶体的网格状模式。这就操纵了晶体的光子带结构，导致光束在中间出现弯曲轨迹--就像光束经过黑洞等大质量天体一样。实验结果，B端口和C端口之间的传输差清楚地显示了DPC中的光束弯曲。资料来源：K.Kitamuraet.al.实验细节和影响具体来说，科学家们在实验中使用了一种原始晶格常数为200微米的硅扭曲光子晶体和太赫兹波。实验成功证明了这些波的偏转。Kitamura补充说："就像重力使物体的轨迹发生弯曲一样，我们也想出了在某些材料内使光线发生弯曲的方法。这种太赫兹范围内的面内光束转向可用于6G通信。"大阪大学副教授MasayukiFujita说："在学术上，研究结果表明光子晶体可以利用引力效应，为引力子物理学领域开辟了新的道路。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391051.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391051.htm