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通过分析长周期双星的运动状况，科学家发现了牛顿和爱因斯坦的引力理论无法解释的现象。这个发现意味着，我们需要一种新的引力理论来描述宇宙的奥秘。这将是一场物理学革命，对整个宇宙学有着重大的影响。
文 | 陈强
引力是自然界中最基本和最普遍的力之一，它是物体之间的一种吸引作用。在科学史上，有两位科学家对引力的研究做出了重大的贡献，他们就是牛顿和爱因斯坦。
牛顿在 17 世纪提出了万有引力定律，认为任何两个物体之间都存在着一个与它们的质量成正比、与它们之间距离的平方成反比的吸引力。爱因斯坦在 20 世纪提出了广义相对论，认为引力不是一种真正的力，而是由物质和能量对时空造成的弯曲所导致的一种几何效应。
万有引力定律和广义相对论是目前最广泛接受的两种引力理论，它们能够解释大多数引力现象。但在某些情况下，例如研究星系旋转、星系团质量分布、宇宙膨胀等现象时，它们给出的结果往往与观测数据不一致。为了解释这些现象，科学家不得不假设宇宙中存在暗物质和暗能量，这两种神秘的成分大约占了宇宙总质能的 95%，但却没有直接被探测到。
引力不与距离的平方成反比？
不过，一些科学家还提出了一些修正的引力理论，试图用一个更简单和自洽的框架来解释引力现象，而不需要引入暗物质和暗能量等额外的假设。
其中最著名的一个理论就是修正牛顿动力学（MOND）理论，它是以色列物理学家莫德海・米尔格罗姆（Mordehai Milgrom）于 1983 年提出的。MOND 理论认为，牛顿和爱因斯坦的引力理论只适用于高加速度的情况，而在低加速度下，引力会发生变化，导致不同于预期的效果。具体来说，当物体受到的引力加速度小于每平方秒 0.1 纳米时，物体之间所受到的引力与它们之间距离成反比，而不是与距离的平方成反比。
虽然 MOND 可以解释一些星系边缘的异常高的旋转速度，但它并不能解释所有星系的旋转问题，科学家仍需要用暗物质才可以解释。它也不能解释一些暗物质理论可以解释的现象，例如宇宙微波背景辐射中的温度涨落和大尺度结构形成。此外，它还不能很好地与广义相对论相协调。
长周期双星揭示引力奥秘
尽管如此，韩国世宗大学的天文学家蔡圭贤（Kyu-Hyun Chae，音译）最近就发现，一些观测数据竟然与 MOND 理论相符。
利用欧洲航天局盖亚空间望远镜观测到的数据，他分析了离地球不超过 650 光年范围内的 26,500 对长周期双星。长周期双星是由两颗相距很远但相互绕转的恒星组成，它们的轨道周期通常在几千年以上。这些双星受到的引力加速度非常低，而且它们受到暗物质的影响非常小，这使得它们成为检验低加速度下当前引力理论是否有效的理想研究对象。
虽然科学家以前也尝试过利用长周期双星来检测引力，但都没有取得决定性的结果。然而，在蔡圭贤的研究中，他编写了一个 Python 程序，能够精确地计算双星所受的引力加速度，从而得到了可靠的研究结果。
他发现，当两颗恒星以低于每平方秒 1 纳米的加速度相互绕转时，它们开始偏离万有引力定律和广义相对论的预测。当这些恒星的引力加速度降低到每平方秒 0.1 纳米以下时，它们受到的加速度比牛顿或爱因斯坦理论预测的高出约 30% 至 40%。这一差异的显著性非常高，达到一项研究可被称为“发现”所需的标准，即标准偏差达到 5 西格玛（换算成误差率，大约为 0.00006%）。
蔡圭贤认为，这是因为在这种情况下，引力开始遵循 MOND 理论而不是牛顿或爱因斯坦的理论来运动。他还发现，观测数据与 AQUAL 理论更相符。AQUAL 理论是对 MOND 理论的改进，是由米尔格若姆与以色列裔美国物理学家雅各布・贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）共同提出的。
引发新的物理学革命？
这是迄今为止最直接和最有力的证据，表明在低加速度下，牛顿和爱因斯坦的引力理论会“崩溃”，需要用改进的引力理论来取代。
这对于物理学和天文学的意义是巨大的，它可能引发一个新的物理学革命。如果 MOND 被证实为正确，那么我们对于宇宙的认识将会发生根本性的变化。我们甚至可能不再需要假设暗物质和暗能量的存在，而可以用一个更简单和更优美的理论来描述所有的引力现象。
当然，蔡圭贤的研究也有一些局限性。例如，他只考虑了双星系统，而没有考虑其他类型的天体系统，如星团或星系。因此，这项研究只是对引力理论的一个初步探索，需要更多的数据和分析来验证和改进。而且，就像我们之前所说的，MOND 理论本身还存在着许多问题，也需要进一步发展和完善。无论如何，这项发现已经为我们展示了一个更奇妙和更神秘的宇宙。
参考文献：
https://dx.doi.org/10.3847/1538-4357/ace101
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