探索丨萬有引力和廣義相對(duì)論之外的引力

引力是一種無處不在、無時(shí)不在的神秘力量。從蘋果落地到行星繞日，從銀河旋轉(zhuǎn)到宇宙膨脹，引力無時(shí)無刻不在編織著宇宙的宏偉圖譜。然而，當(dāng)我們談?wù)撘r(shí)，往往會(huì)首先想到牛頓的萬有引力定律和愛因斯坦的廣義相對(duì)論。但在這兩大理論之外，引力是否還隱藏著更多未解之謎？讓我們一起踏上這場(chǎng)探索之旅，揭開引力未知邊界的面紗。

▏****地球上的引力一、萬有引力提及引力，牛頓的萬有引力定律無疑是最先躍入腦海的。這個(gè)簡(jiǎn)潔而強(qiáng)大的公式，不僅解釋了地球?yàn)楹文芪虑颍步沂玖颂柸绾问`住八大行星。然而，隨著科學(xué)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，牛頓的理論在極端條件下（如黑洞附近或宇宙大爆炸初期）開始顯得力不從心。這時(shí)，愛因斯坦的廣義相對(duì)論應(yīng)運(yùn)而生，為引力理論帶來了革命性的飛躍。二、廣義相對(duì)論愛因斯坦將引力視為時(shí)空的彎曲，而非傳統(tǒng)意義上的力。在廣義相對(duì)論的框架下，質(zhì)量巨大的物體（如恒星或黑洞）會(huì)扭曲周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)，從而影響其他物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。這一理論不僅成功解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、光線在強(qiáng)引力場(chǎng)中的彎曲等天文現(xiàn)象，還為黑洞、引力波等奇異現(xiàn)象提供了理論基礎(chǔ)。然而，即便如此，廣義相對(duì)論也并非引力的終極答案。在廣義相對(duì)論之外，科學(xué)家們從未停止對(duì)引力的深入探索。暗物質(zhì)和暗能量的存在，就是當(dāng)前引力理論面臨的最大挑戰(zhàn)之一。這兩種神秘的力量占據(jù)了宇宙總質(zhì)量的絕大部分，卻至今未能被直接探測(cè)到。它們的存在，不僅影響著星系和星團(tuán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也挑戰(zhàn)著我們對(duì)引力本質(zhì)的理解。

▏****遠(yuǎn)古星系當(dāng)前理論認(rèn)為，星系的起源與引力的作用息息相關(guān)。星系在初時(shí)是微小且不可見的，然而隨著時(shí)間的推移，通過引力的逐漸作用，物質(zhì)被一點(diǎn)一點(diǎn)地聚集起來，星系便開始慢慢成長(zhǎng)。然而，我們所觀測(cè)到的星系并非其當(dāng)前狀態(tài)，而是過去的影像。這意味著我們看到的星系是幾百萬年、幾千萬年、幾億年甚至幾十億年前的模樣。因此，星系距離我們?cè)竭h(yuǎn)，我們所觀察到的星系就越古老。根據(jù)這個(gè)邏輯，我們可以推斷出越古老的星系應(yīng)該越小，因?yàn)槲覀冇^察到的是它們?cè)谠缙诎l(fā)展階段的樣子。然而，在現(xiàn)實(shí)中，科學(xué)家們已經(jīng)觀測(cè)到了130多億年前的遠(yuǎn)古星系。按理說，這樣的新生星系應(yīng)該非常小，但事實(shí)上它們卻依然龐大。以宇宙的年齡來看，這樣的規(guī)模似乎并不合理。此外，宇宙中存在著龐大的星系長(zhǎng)城，如武仙-北冕座長(zhǎng)城長(zhǎng)達(dá)百億光年。根據(jù)當(dāng)前對(duì)宇宙的理解，如此龐大的結(jié)構(gòu)似乎超出了引力理論所能解釋的范圍。那么，宇宙的本質(zhì)究竟如何理解呢？宇宙并非空曠無物，而是一個(gè)充滿“海子”的海洋?！昂Ｗ印笔潜然玖Ｗ舆€要小無數(shù)倍的超小粒子，它們構(gòu)成了宇宙的海洋。在這個(gè)宇宙海洋中，星系是天然存在的旋渦，它們并非由一個(gè)小星系逐漸成長(zhǎng)而來。這種旋渦形態(tài)不僅體現(xiàn)在我們觀測(cè)到的旋渦星系中，也體現(xiàn)在其他天體現(xiàn)象中。例如，臺(tái)風(fēng)和地球海洋中的洋流水系都是天然形成的旋渦形態(tài)。星系作為一個(gè)巨大的圓盤形旋渦，其形狀一目了然。無論是通過照片還是理論推導(dǎo)，我們都可以清晰地看到這一特點(diǎn)。而宇宙中的大尺度纖維狀結(jié)構(gòu)則可以被視為洋流水系，它們?cè)谟钪婧Ｑ笾辛魈省⒔豢?。例如，雙魚-鯨魚座超星系團(tuán)復(fù)合體、拉尼亞凱亞超星系團(tuán)以及室女座超星系團(tuán)等都是宇宙中洋流水系的典型代表。進(jìn)一步地，宇宙中的洋流可以形成星系旋渦，而這些旋渦中又可以孕育出天體雜質(zhì)。這一過程體現(xiàn)了宇宙的層層遞進(jìn)、相互關(guān)聯(lián)的特性。我們可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)順序：宇宙（海洋）→ 纖維（洋流）→ 星系（旋渦）→ 天體（雜質(zhì)）。這樣的層次結(jié)構(gòu)不僅符合我們對(duì)宇宙的理解，也與我們所觀測(cè)到的宇宙現(xiàn)象相吻合。

▏****星系旋轉(zhuǎn)曲線牛頓在前人如哥白尼、開普勒的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了萬有引力理論。該理論指出，引力的大小與質(zhì)量成正比關(guān)系，而與距離的平方成反比關(guān)系。換言之，質(zhì)量越大的物體，其引力也就越強(qiáng)；相反，質(zhì)量較小的物體則引力較弱。同時(shí)，當(dāng)兩個(gè)物體間的距離越近時(shí)，它們之間的引力就會(huì)越大；而距離越遠(yuǎn)，引力則相應(yīng)減小。然而，這一理論在銀河系的應(yīng)用中卻遭遇了挑戰(zhàn)。據(jù)觀察，銀河系中心的黑洞人馬座A星的質(zhì)量?jī)H為430萬倍太陽質(zhì)量，卻要掌控2000億顆恒星的質(zhì)量。這一現(xiàn)象顯然與牛頓理論所描述的情況不符，顯得頗為不合理。此外，銀河系內(nèi)恒星的公轉(zhuǎn)速度并未隨距離的增加而有所減緩，內(nèi)外公轉(zhuǎn)速度竟相差無幾，同樣與牛頓的理論相悖?？茖W(xué)家們繪制了太陽系和銀河系的星系旋轉(zhuǎn)曲線，這兩者的曲線形態(tài)截然不同。太陽系的星系旋轉(zhuǎn)曲線呈現(xiàn)為一條向下的斜線，而銀河系的星系旋轉(zhuǎn)曲線則是一條平直的直線。尤其是銀河系的外圍旋轉(zhuǎn)速度異?？焖?，明顯與牛頓理論所描述的情況不一致。面對(duì)這一系列的不合理解釋，科學(xué)家們提出了一個(gè)假設(shè)：銀河系中存在著大量不可見的暗物質(zhì)。這些暗物質(zhì)為銀河系提供了額外的引力支持。然而，盡管人類絞盡腦汁，卻始終無法找到暗物質(zhì)的任何蹤跡。然而，問題可能并不在于暗物質(zhì)的存在與否。實(shí)際上，這一問題與溫度密切相關(guān)。溫度是粒子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的體現(xiàn)：溫度越高，粒子運(yùn)動(dòng)越快；溫度越低，粒子運(yùn)動(dòng)則越慢。值得注意的是，溫度與速度之間存在著緊密的聯(lián)系。宇宙并非空無一物，而是一個(gè)充滿超小粒子的海洋。我將這些超小粒子命名為“海子”。星系實(shí)際上是由這些海子形成的巨大圓盤形旋渦，而引力則是這一旋渦的吸力。天體則可視為旋渦中的雜質(zhì)。因此，星系的主體是海子，而非星球。星球?qū)嶋H上是飄浮在海子中的雜質(zhì)。當(dāng)我們測(cè)量星系的公轉(zhuǎn)速度時(shí)，實(shí)際上我們測(cè)量的是海子的流動(dòng)速度。這就像氣球在空氣中飄行，我們測(cè)量的是空氣的流動(dòng)速度一樣。海子的溫度決定了其流動(dòng)速度，進(jìn)而影響了星系的公轉(zhuǎn)速度。當(dāng)溫度升高時(shí)，海子流動(dòng)加快，星系和星球的運(yùn)轉(zhuǎn)速度也會(huì)相應(yīng)加快；而當(dāng)溫度降低時(shí)，海子的流動(dòng)減緩，星系和星球的運(yùn)轉(zhuǎn)速度也會(huì)隨之減慢?；仡櫄v史，我們對(duì)引力的研究或許從一開始就存在誤解。以太陽系為例，由于其中心有發(fā)光天體，導(dǎo)致海子的流速在內(nèi)部較快而在外部較慢。這進(jìn)而導(dǎo)致行星的公轉(zhuǎn)速度也是內(nèi)快外慢。然而，當(dāng)我們研究像銀河系這樣的星系時(shí)，由于其內(nèi)外都有發(fā)光天體，海子的流速在內(nèi)外部都較快，導(dǎo)致恒星的公轉(zhuǎn)速度也是內(nèi)快外快。這解釋了為什么太陽系的星系旋轉(zhuǎn)曲線與銀河系的星系旋轉(zhuǎn)曲線不同，其實(shí)質(zhì)上是兩者發(fā)光天體的排列和溫度分布差異所造成的。因此，我們不必再尋找暗物質(zhì)，無論是太陽系還是銀河系，只要我們測(cè)量它們的“明暗曲線”、“溫度曲線”和“旋轉(zhuǎn)曲線”，這三條曲線將幾乎相同，甚至完全吻合。這為我們理解星系的運(yùn)行機(jī)制提供了新的視角和思路。

▏****南極、北極我們知道，在宇宙的廣闊舞臺(tái)上，地球及眾多天體的磁極皆有其特定的位置。地球的磁北極實(shí)則位于地理南極附近，而磁南極則位于地理北極。不僅如此，木星、太陽乃至銀河系亦然，它們的磁極均分布在各自的南極和北極?？茖W(xué)家在銀河系的南極和北極區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)神秘的大氣泡，它們被形象地稱為“費(fèi)米氣泡”。這些氣泡中蘊(yùn)含的奧秘，尚待我們探索。同時(shí)，脈沖星和類星體這兩種天體，都會(huì)從它們的南極和北極噴發(fā)出粒子流。脈沖星的噴流現(xiàn)象展示了其強(qiáng)大的能量釋放，而類星體的噴流則揭示了其活躍的物理過程。超新星爆炸是宇宙中極為壯觀的現(xiàn)象。在爆炸發(fā)生時(shí)，物質(zhì)會(huì)以驚人的速度從其南極和北極被噴射出來。那么，為什么這些與南極、北極相關(guān)的現(xiàn)象如此引人注目呢？為什么這些位置在宇宙中顯得如此特殊？除了磁極和噴流現(xiàn)象，宇宙中的恒星也展現(xiàn)出令人著迷的形態(tài)變化。有些恒星會(huì)經(jīng)歷變形，其南極和北極區(qū)域會(huì)凸起。而新誕生的恒星，更是會(huì)從其南極和北極噴出粒子流。這些現(xiàn)象挑戰(zhàn)了我們對(duì)于萬有引力的傳統(tǒng)理解。眾所周知，引力是宇宙中不可或缺的力量，它維持著星系、行星和恒星之間的相互吸引。然而，在這些特殊的天體南極、北極現(xiàn)象中，引力似乎并不足以解釋所有的觀察結(jié)果。牛頓的萬有引力理論和愛因斯坦的廣義相對(duì)論在這類現(xiàn)象面前似乎都顯得捉襟見肘。實(shí)際上，宇宙中的星系猶如巨大的圓盤形旋渦，由無數(shù)“海子”形成。這些旋渦有著高壓區(qū)和低壓區(qū)，而星系的南極和北極正是這些低壓區(qū)的所在。物質(zhì)通常從高壓區(qū)的旋渦盤中進(jìn)入星系，然后被吸引向低壓區(qū)的南極和北極，從而產(chǎn)生了各種噴流和噴發(fā)現(xiàn)象。在宇宙的舞臺(tái)上，存在著多種多樣的旋渦現(xiàn)象。地球上的旋渦受到地球引力的影響，形成上吹和下吸兩種旋渦。而在太空中，失重的環(huán)境下會(huì)形成一種圓盤形的旋渦，我們稱之為“中引旋渦”。這種旋渦將物質(zhì)從四周引向中心，形成了星系。星系的旋渦快速自轉(zhuǎn)，在南極和北極的低壓區(qū)會(huì)形成兩個(gè)小的漏斗狀海子旋渦。其中一個(gè)上吹形成天體磁北極，另一個(gè)下吸形成天體磁南極。這兩個(gè)小旋渦的旋渦尾在天體中心處相連，形成一個(gè)磁泡包裹天體，從而產(chǎn)生了天體磁場(chǎng)。平時(shí)我們無法直接觀察到這些小旋渦，但當(dāng)太陽風(fēng)帶來帶電粒子時(shí)，我們可以通過極光來間接觀測(cè)到它們的存在。當(dāng)天體的質(zhì)量、體積、能量和內(nèi)壓達(dá)到一定程度時(shí)，其在南極和北極的低壓區(qū)會(huì)受到擠壓而凸起，導(dǎo)致天體變形。當(dāng)中心天體的質(zhì)量繼續(xù)增大，能量和內(nèi)壓繼續(xù)升高時(shí)，南極和北極的低壓區(qū)甚至?xí)霈F(xiàn)破洞，從而吹出氣泡或噴出粒子流。這些粒子包括海子、光子等多種基本粒子。當(dāng)中心天體的質(zhì)量、體積、能量和內(nèi)壓達(dá)到極限時(shí)，其南極和北極的破洞將變得巨大無比，中心天體便可能發(fā)生爆炸。這種爆炸是天體演化的重要過程之一。在爆炸發(fā)生時(shí)，物質(zhì)不僅從天體的南極和北極被噴射出來，還從旋渦盤中被噴射出來。這些噴射出的物質(zhì)在宇宙中散開并可能形成新的天體或參與星系的形成過程。因此我們可以說這些南極、北極的特殊位置及其相關(guān)的噴流、噴發(fā)、變形等現(xiàn)象是宇宙演化過程中的重要環(huán)節(jié)是塑造星系和天體的重要力量是揭示宇宙奧秘的關(guān)鍵所在。

▏****黑洞和奇點(diǎn)奇點(diǎn)，乃黑洞核心之所在，乃依據(jù)現(xiàn)今理論，物質(zhì)、能量、空間、時(shí)間皆匯聚于一點(diǎn)，其深邃難測(cè)，故以“奇點(diǎn)”命名，意指奇異之所在。光子猶如海洋上漂泊的云團(tuán)，具備飄動(dòng)性，隨海流流轉(zhuǎn)。星系則是由海子所形成的旋渦，其引力如同旋渦之吸力，能帶動(dòng)熱云團(tuán)運(yùn)動(dòng)，因此光子亦會(huì)受到引力影響。在星系中心，由于引力強(qiáng)大無比，一旦光子進(jìn)入特定范圍，便無法逃脫。這個(gè)明顯的分界線即為事件視界，而此等天體即為黑洞。黑洞之強(qiáng)大引力可將正電子、負(fù)電子、中微子以及光子等壓縮在一起，形成如結(jié)晶體般的存在，此即奇點(diǎn)。實(shí)質(zhì)上，它們均由海子構(gòu)成，因此可被壓縮在一起。奇點(diǎn)之形成原理與中微子頗為相似，皆為海子在超高壓下凝結(jié)而成，只是奇點(diǎn)體積較中微子大許多。奇點(diǎn)可視為一個(gè)超大的中微子，亦為海子在超高壓下的產(chǎn)物——結(jié)晶體。黑洞內(nèi)部之景象仿佛龍卷風(fēng)、水漩渦、熱云團(tuán)、冰雹、風(fēng)和空氣等元素在超高壓下被壓縮為一體，其實(shí)質(zhì)仍為海子所形成。故此種種元素皆可被壓縮在一起。黑洞并非僅進(jìn)不出，若其質(zhì)量、體積、能量及內(nèi)壓達(dá)到一定程度，其周圍旋渦盤高壓區(qū)之?dāng)D壓下可能導(dǎo)致南極、北極低壓區(qū)出現(xiàn)大破洞，從而噴發(fā)粒子流。例如在M87星系中，其南極、北極便有粒子流噴發(fā)。此外，若黑洞之各項(xiàng)參數(shù)過于龐大，甚至可能引發(fā)黑洞爆炸。如在蛇夫座星系團(tuán)中，已有黑洞爆炸之實(shí)例。此種現(xiàn)象雖罕見，但揭示了宇宙中存在著不可預(yù)測(cè)的能量轉(zhuǎn)換與爆發(fā)。奇點(diǎn)的存在與黑洞的奧秘一同揭示了宇宙的深邃與神奇，令人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)更上一層樓。（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
作者 | 幾維鳥畢業(yè)于新西蘭林肯大學(xué)。對(duì)大眾科普知識(shí)擁有濃厚興趣，曾在多個(gè)科普期刊上發(fā)表過科普文章。關(guān)注事實(shí)，積極探索前沿科技。

初審 | 陳嘉琦復(fù)審 | 魏星華終審 | 周 陽