科學家發現先驅者太空飛行器軌跡明顯偏離「萬有引力」定律的預期

莫弘毅


【正見網2003年03月20日】

美國航空航天局科學家對先驅者(Pioneer)10和11號、尤利西斯(Ulysses)號等太空飛行器的軌跡跟蹤表明,這些太空飛行器的運行軌跡明顯偏離根據「萬有引力」算出的軌道。有關結果已經發表在1998年10月5日《物理學評論快報》第81卷,2002年4月15日《物理學評論D》第65卷等權威雜誌上。

先驅者10號和先驅者11號太空飛行器分別發射於1972年3月2日和1973年4月5日,是人類最早向外太空發射的太空飛行器。在先驅者10號和11號分別與木星、土星相會後,兩艘太空飛行器沿著相反的方向飛向太空。先鋒11號在1995年11月份最後一次發射回信號後與地面失去了聯繫,而先鋒10號最後一次發送回信號是在今年2月份。

根據兩艘太空飛行器發送回來的無線電波信號,科學家們可以準確地定出它們的位置,在扣除行星的微擾效應、太陽輻射壓力、星際物質的影響廣義相對論效應以及都卜勒偏差和漂移等影響後,科學家們可以精確地算出它們的加速度,計算精度高達10-10cm/s2

從1980年起,當太陽的輻射壓力小於5x10-8cm/s2後,NASA的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)研究組就發現了對先驅者10號算出的加速度中有8(±3)x10-8cm/s2無從解釋,該加速度方向正對著太陽。在這以後更精確的計算表明,先驅者10號和11號都受到約8.5x10-8cm/s2的向著太陽的不明來源的加速度。此後實驗組考慮了各種可能的原因,諸如來自星系和基泊爾(Kuiper)行星帶的引力、太空飛行器漏氣、地球進動、地球方向誤差、飛船熱輻射的各向異性等,發現沒有一種起因可以對此加以解釋,有些因素引起的加速度偏差僅是上述偏差的千分之一左右。

實驗組還用兩個獨立的分析軟體對這些軌道作了計算,結果得到了一致的結論,排除了分析軟體存在缺陷導致錯誤的可能性。為檢驗所發現的加速度是否是某種未知粘滯阻力所致,考慮到粘滯阻力總是與速度方向相反,實驗組還對運行軌道不沿著太陽半徑方向的尤利西斯號的軌跡進行了分析,結果表明尤利西斯號軌道也受到類似的不明加速度的作用;另外,利西斯號的設計和外形都與先驅者號大不相同,所以這一加速度也不太可能由飛行器的硬體所導致。實驗組對加利略號軌道的分析也得到了類似的結論,但是實驗組也謹慎地說明,加利略號受太陽輻射壓力影響較大,他們不能排除太陽輻射壓力的作用。

在這些論文中,這些科學家還指出了與這一加速度有關的另外一個疑團,它只是影響人造飛行器而對太陽系的九大行星的運行軌跡沒有顯著的影響。今天人類已經能夠對行星的運動進行了精確的觀測,如NASA的維京(Viking)使命可以將地球和火星位置確定到誤差小於100米左右,如果地球和火星有同樣的效應,它們的軌道半徑據推算要比現在分別小21和76公里。這一現象也不太可能是目前使天文學家們正在尋找的暗物質引起,因為暗物質會對行星施加相似的加速度。

一些科學家認為這一現象有可能是新的物理原理所致,也有的科學家認為這是因為「萬有引力」定律在大尺度上不再成立的緣故。有的NASA科學家已經提出了進一步驗證這一現象的實驗設想,並已決定在以後的飛行器運行軌道設計中考慮這一他們稱為「先驅者號反常」的現象。

參考資料

1. J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev. Lett. 81, 2858, 1998.
2. J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev D 65, 082004, 2002.
3. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/tmp/1972-012A.html
4. http://www.newscientist.com/news/news.jsp?id=ns99993439

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