引力可能不像科学家曾经认为的那么简单

在人类消失或进化成其他物种很久之后，在50亿年后太阳膨胀成红巨星并焚烧地球很久之后，至少有一件人类制品将继续漂流到银河系的遥远深处，被星际空间近乎完美的真空永远安全地保存着。

“先驱者10号”于1972年发射，预计进行21个月的木星之旅，现在距离家园约80亿英里。1月23日，追踪站接收到了探测器钚动力无线电发射器的最后微弱信号，该发射器已无法发出足够强的信号到达地球。

当项目科学家聆听那最终逐渐消失的低语时，他们陷入了一个谜团：这艘宇宙飞船似乎正在违背引力定律。“先驱者10号”一直在减速，就好像太阳对其的引力作用随着距离的增加而逐渐增强一样。“先驱者10号”并不是唯一表现异常的宇宙飞船。“先驱者11号”于1973年发射，在远离太阳的过程中也减速了，直到1995年美国宇航局与它失去联系。还有一些证据表明其他两个探测器也有类似的奇怪效应：“尤利西斯号”已经绕太阳运行了13年，“伽利略号”上个月坠入木星大气层。

所有这些飞行器都可能发生相同的故障吗？还是宇宙中某种未知的力量正在减缓它们的速度？对于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家迈克尔·马丁·涅托来说，这个谜团远不止是一些太空硬件；它揭示了我们对引力的理解可能存在问题，引力是宇宙中最普遍的力量。

他说：“我们一无所知。”“关于引力的一切都是神秘的。”

涅托的这番话对于一个看似熟悉的现象来说，措辞有些强烈。毕竟，艾萨克·牛顿三百多年前制定的定律，精确无误地描述了从你翻阅这本杂志时书页的落下，到星系庄严旋转的一切。或者说，真的如此吗？

通常的规则在地球上运行良好——潮汐涨落——在我们的太阳系中也运行良好——行星绕太阳运行。但是当天文学家试图在更大的尺度上使用牛顿方程时，比如预测围绕星系中心运行的恒星的运动，他们会得到错误的答案。在迄今为止研究过的每一个星系中，恒星和气体都比牛顿定律所说的移动得更快，就好像星系内或周围隐藏质量的引力正在拉动它们，增加它们的速度。

为了使计算与观测结果一致，天文学家们被迫陷入尴尬境地。他们不得不假设巨大的看不见的物质围绕着所有星系。天文学家们简单地称这种神秘物质为暗物质。他们不清楚它是什么，但他们相信它一定存在的信念，是对艾萨克·牛顿的信念的显著证明。

“这是一个修正系数，”涅托说，“每个星系都有一个修正系数。”

虽然绝大多数天文学家相信暗物质的存在，但少数异端分子已开始质疑相信从未见过的事物的智慧。他们想消除这种修正因素，即使这意味着对牛顿定律发起全面攻击。这是一个孤独且不受欢迎的立场，但这些异端分子或许能够解释为什么“先驱者10号”不在我们认为它应该在的位置。

我和五位研究人员正以每分钟800英尺的速度，在完全黑暗中沿着一条狭窄的矿井坠落，被宇宙中最神秘的力量所牵引。我们身处一个嘎吱作响、破旧不堪、没有灯光的金属笼子里，被一根一英寸半粗的钢缆系着，钢缆从我们上方数百英尺处一个12英尺宽的滚筒上缓慢放出。如果没有那根钢缆和其他安全装置，我们将会以每小时约120英里的速度撞上2341英尺深的矿井底部，这符合牛顿定律的可预测且致命的结果。它们可能不完美，但这些定律似乎无法逃脱，这正是引力成为自然界所有力量中最独特——也最令人恼火——的原因。

与可以被任何带相反电荷的物质阻碍的电场不同，引力无法被阻挡。它无形的丝线将你与宇宙中每一个原子、行星、恒星和星系连接起来。就在此刻，最遥远的星系正在拉扯你，而你也在拉扯它们。

对于每一个行星和月亮，对于巨石和树木，甚至对于你身边爬过的蚂蚁，都是如此。没有什么可以与引力效应隔绝，这就是为什么物理学家无法非常精确地测量引力的大小——只能精确到小数点后五位。这看起来可能很精确，但对于能追踪单个原子振动到小数点后九位的物理学家来说，这简直是粗制滥造。

当我们下降到矿井时，我想起加州大学欧文分校的物理学家莱利·纽曼最近给我讲的一个故事。几年前，纽曼试图测量一个钢管和一个铜棒之间通过真空室内的细纤维悬挂时的引力相互作用。

因为任何有质量的物体都会对其周围环境施加微小的引力，所以钢管导致悬挂的杆子使纤维稍微扭曲。通过测量扭曲的量，纽曼打算精确计算引力的大小。但他的数据却出了问题。结果大相径庭。一些未知的引力源干扰了实验。

纽曼说：“记录仪的轨迹显示，最初相当平稳，然后在大约一个小时内上升，然后再次平稳下来。”“它发生在半夜，与我们的源质量——钢管——没有关联，所以很明显这不是一个合法的信号。”

“但我们极度困惑。我们试图思考半夜可能发生什么才能解释这种情况。我的学生们查出了校园广播电台停播的时间，以防万一与此有关。我们向供暖厂的人员核实。我们向清洁人员核实，确保当时没有人进入实验室。”

“有一次，大约凌晨3点，我的一个学生走出实验室时，离我们大楼约10码远的草坪洒水器启动了。他估算了这些洒水器在草坪上沉积了多少质量”——以及因此产生了多少引力——“结果发现，这正好足以解释我们所看到的一切。”

纽曼的困境与矿井底部研究人员面临的挑战相比，显得微不足道。我们乘坐的笼子曾将矿工运送到富含铁矿石的矿脉，那里的原矿石块可以用乙炔焊枪焊接在一起。现在，它运送物理学家和其他访客前往他们在明尼苏达州北部苏丹镇地下近半英里处，在一处由绿岩炸开的洞穴中建造的价值1600万美元的装置[pdf]。

该装置旨在探测暗物质。如果搜索成功，牛顿定律将得到证实。如果失败，嗯，稍后会有更多讨论。

由于在天文学家通常研究的领域——天空——中直接观测暗物质尚未成功，一些研究人员转而设计了一个地下陷阱。他们认为可以捕获一些暗物质，因为地球应该不断穿过由冷暗物质粒子（称为WIMP——弱相互作用大质量粒子）组成的云。在任何给定的一秒钟内，应该有多达10万个不可见的WIMP穿透你的指甲。

即使在十年前，大多数物理学家也认为建造足够灵敏的仪器来探测地球上的此类粒子是不可能的。但今天，暗物质探测所需的电子设备至少灵敏了一千倍。这就是为什么一支物理学家团队在这座铁矿中安营扎寨的原因。他们称他们的实验为“冷暗物质探测二期”。(CDMS I是该实验的一个较小版本，建在斯坦福大学校园地下150英尺处）。

在这个三月的早晨，离加拿大边境不远的地方，不乏一些冰冷的暗物质——我的脚就很容易符合。明尼苏达大学新晋博士梁龙（Long Duong）和我正准备进入容纳探测器的洁净室，以寻找更难以捉摸的暗物质。我们每个人都穿上一次性全身防护服，两副手套，两双纸鞋套和发网。梁告诉我把咖啡留在外面，这让我短暂地闪过一个设想：一个笨手笨脚的记者，因为一个泡沫杯从手中滑落，毁掉了一个耗资数百万美元的实验。

探测器是曲棍球大小的锗硅晶体样品，放置在两英尺长的六边形仪器中，大部分被隐藏在杜昂和其他物理学家所说的“冰盒”内。一个冷却装置使液氦在七英尺高、九英尺宽的圆柱形冰盒周围循环，将探测器冷却到零下459华氏度以上仅50毫度：即绝对零度。

这使得这里成为宇宙中最冷的地方之一。不是你想洒热咖啡的地方。理论家们认为WIMP的移动速度比中微子或宇宙射线等粒子慢——大约是光速的千分之一。如果WIMP存在，并且如果其中一个撞击到六边形仪器内堆叠的硅锗晶片，撞击应该会使晶片中的晶格稍微振动，导致小幅温度升高。任何环境热量也会使晶体振动，从而冲刷掉潜在的信号。因此需要超低温。

另一个主要要求——大规模屏蔽——由矿井的深度满足，矿井的深度在实验和上方2341英尺的地表之间形成了数吨岩石的天然屏障。岩石阻挡了宇宙射线——来自太空的高能粒子，它们可能会模拟WIMP的到来。

如果WIMP存在，它们会轻易穿透岩石并直接穿过地球。但物理学家希望有少数WIMP能撞击到他们的探测器。11吨铅和2吨聚乙烯为仅重几磅的探测器提供了屏蔽，以防止周围岩石中可能产生假信号的任何放射性。

铅是从一艘200年前的沉船中打捞上来的，曾作为压舱物。它在海底沉积物下长期埋藏，使其与可能触发铅中WIMP遮蔽放射性的宇宙射线隔绝。杜昂预计探测器将在今年秋天某个时候正式运行。到明年年底，全球至少还有10个暗物质探测器也将上线。那么，如果没有探测到暗物质怎么办？至少有几位物理学家不会感到惊讶。

斯泰西·麦高曾一度遵从关于暗物质和引力的主流观点。他是个信徒。直到他遇到了以色列物理学家莫蒂·米尔格罗姆。

1994年，麦高还是英国剑桥大学的博士后研究员，他试图用暗物质模型解释微弱星系的运动，但未成功，偶然参加了一场改变一切的研讨会。

“米尔格罗姆碰巧过来做了一个关于修正引力的讲座。我差点就没去。我想，‘修正引力？我不想听这种废话。’但我还是去了。米尔格罗姆，不知道我是谁，也不知道我做什么，在他的讲座中只是说，‘哦，对于低表面亮度星系’——这正是我研究的——‘它们应该这样那样这样。’而这正是我所看到的！所以我才把下巴从地板上捡起来，回到我的办公室。”米尔格罗姆，一位57岁的以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的物理学家，他认为，如果物理学家对牛顿引力定律只做一点小改动，就不需要像暗物质这样的修正因子。他在20世纪80年代初对暗物质产生了厌倦，当时他开始怀疑是否有可能在不让宇宙充满大量无法探测的神秘物质的情况下解释星系的运动。米尔格罗姆谈到天文学家今天所处的境地时说：“这非常尴尬。我甚至听到那些坚持暗物质的人称之为‘荒谬的宇宙’。”

米尔格罗姆提出了一个合理的问题：我们所理解的引力定律在星系尺度上是否适用？毕竟，我们对牛顿定律的唯一直接经验仅限于太阳系的狭窄范围。也许对于星系来说，规则是不同的，在那里，一次旋转的典型跨度涵盖了从恐龙时代开始到你阅读这一页的时刻。

麦高说：“我们推断暗物质存在，仅仅是因为我们认为我们理解这些尺度上的引力。”“如果我们有完美的引力理论，那么数据就迫使我们相信存在看不见的物质。另一方面，我们除了这类数据之外，没有在这些尺度上对我们的理论进行任何测试。所以你也可以同样地解释说，数据告诉我们，我们对引力的理解有问题。”

经过几次不成功的尝试后，米尔格罗姆找到了一种方法，似乎可以在不需要暗物质的情况下重现星系的奇特运动。关键在于加速度。引力使物体加速。当你从悬崖上跳下时，地球的引力以每秒32英尺的速度将你向下牵引，这个速度每秒都在增加。

同样地，我们的太阳——以及天空中所有其他恒星——都以每秒每秒大约一个原子宽度（相当于每秒32英尺的32亿分之一）的速度向银河系中心加速。这很微弱——只有我们在地球上感受到的引力的千亿分之一。米尔格罗姆提出，牛顿定律在这些微不足道的加速度下可能会发生变化。

当加速度低于每秒每秒10亿分之一米（米尔格罗姆称之为a0）时，引力可能不再像牛顿定律那样与加速度成正比。相反，引力可能会稍微增强，与加速度的平方成正比。通过这个微小的改变，当加速度低于每秒每秒10亿分之一米时生效，米尔格罗姆发现他可以完美地预测星系的运动，而无需引入暗物质这个“修正系数”。星系中的恒星移动速度比预期更快，不是因为看不见的物质的引力，而是因为米尔格罗姆定律所描述的额外推动力。

米尔格罗姆将他的心血结晶命名为MOND，意为修正牛顿动力学。他、麦高以及其他人已经使用MOND来解释数十个星系的力学。“暗物质理论家甚至没有迈出解释MOND所解释的大量规律的第一步，”米尔格罗姆说。“这只是他们希望将来能够做到的事情，但他们甚至还没有开始。对我来说，这看起来毫无希望。”

大多数天文学家拒绝接受 MOND。米尔格罗姆理解：“我认为科学界应该严格审查任何此类想法。如果你真的想动摇原则，那不应该是一件容易的事。”

米尔格罗姆也承认，MOND有一个严重的缺陷：它与任何更深层的理论都没有联系。MOND有效，但没有人解释为什么。牛顿的引力描述是一个庞大理论体系的一部分。爱因斯坦的也是。

MOND可能最终会成为更大事物的一部分，但目前它独立存在。米尔格罗姆说：“MOND正处于发展的早期阶段，我喜欢这样认为。”“概念在那里。基本思想在那里。现在我正在尝试理解MOND从何而来，因为我把它看作一个派生概念。我认为应该有一些更基本的潜在理论，一些可以从中推导出来的想法。”

如果米尔格罗姆的发现最终被证明是正确的，物理学家们也许不应感到太过惊讶。毕竟，牛顿定律在过去曾被修正过，最著名的就是阿尔伯特·爱因斯坦的修正。根据牛顿的理论，引力是一种在任何有质量的物体之间以看不见、瞬时的方式作用的力。

爱因斯坦则有不同的想法：没有引力。我们所感知的引力只是一种几何效应，是质量巨大的物体扭曲时空形状的结果。这可能听起来很抽象，难以想象——毕竟，我们无法看到四个维度。

但是看看洒水器喷出的水优雅的抛物线，或者看一个橄榄球在空中划过的弧线。两者都在遵循地球质量所产生的时空曲线。如果米尔格罗姆是对的，那么牛顿和爱因斯坦的定律将需要进行一些重大修改。米尔格罗姆怀疑，大部分修改将与他的过渡加速度a0的值有关。

米尔格罗姆说：“事实证明，这个值具有宇宙学意义。”“它是将光速除以宇宙寿命所得到的加速度。如果你从零速度开始，以这个加速度，你将在宇宙的寿命内大致达到光速。这是我所有寻找潜在理论的基石。它一定告诉我们一些关于该理论起源的信息。”

MOND或许能解释另一个谜团——“先驱者10号”和“先驱者11号”的谜团。

1980年，美国宇航局喷气推进实验室的天文学家约翰·安德森在分析“先驱者10号”和“先驱者11号”的数据时，注意到两艘飞船都以一种违反牛顿定律的方式减速，就好像太阳的引力增强了一样。

安德森说：“有什么东西对航天器施加了一种我们不了解的力量。”“我们认为我们可以用航天器产生的力来解释它。我真的以为随着我们离太阳越来越远，它最终会消失。但它没有消失。”

安德森继续监测信号，但直到去年年底，他与包括洛斯阿拉莫斯国家实验室的迈克尔·马丁·涅托在内的五位同事，才发表了一份长达50页的关于“先驱者”号之谜的详尽分析。他们寻找机载气体泄漏、软件错误等任何可能解释这一异常现象的证据。他们一无所获。涅托说：“我们尝试了，我们的朋友尝试了，我们的敌人也尝试了。没有人能找到确凿的证据。”“我们确实很努力地寻找了。”“先驱者”效应是真实的。几十年来，某种东西一直在减速航天器——或者说将其加速向太阳——其速度与MOND的预测惊人地一致：这个加速度大约是我们地球上引力加速度的百亿分之一。

涅托说：“我长期以来一直对米尔格罗姆的理论感兴趣，因为它是一个简单的想法，一个聪明的想法。”“我不在乎它是否完全错误；它一直都非常有用。MOND迫使人们比以前更密切地审视星系构成、暗物质和引力。”

涅托和安德森非常希望能够启动一项任务，专门严格测试“先驱者”号异常现象。涅托已经开始为此制定计划，并寻找支持者。在洛斯阿拉莫斯的一家咖啡馆共进午餐时，他兴奋地谈论着这项任务，以及它的发现是否会撼动物理学的基础。有一次，他张开双臂描述宇宙飞船可能拥有的太阳帆，却不小心撞到了一位女服务员。我问他是否已经为这个项目想好了名字。

他说：“嘿，如果她出钱，我就叫它‘安娜·库尔尼科娃号’。”“说真的，如果上帝下凡说，‘好吧，赌上你的灵魂，告诉我‘先驱者’效应是什么造成的’，我会说是系统误差。如果测量结果表明引力表现不同，我会感到惊讶，但如果真是这样，我会非常高兴。”

物理学家必须非常清楚地知道他知道什么，他认为他知道什么，他怀疑什么，以及他想要什么。我希望“先驱者”号与众不同。谁不希望呢？当然，我希望它能带来一些新东西。我喜欢这样。我一定会出去向我的敌人吐舌头。但这与说我相信它不同。”

[本文最初刊登于《牢牢锁定引力》]

答案1：保龄球会以越来越快的速度下落，直到到达地心。此时，它会开始减速，直到到达另一侧，在那里它会停下来并再次开始下落。

答案2：以一定角度射出的子弹会比垂直向上射出的子弹先落地。

答案3：不。引力与质量有关，与旋转无关。

答案4：它们会同时落地。