五、万有引力与弱相互作用的关系
摘要: 本文结合现代物理学的实验基础提出了弱相互作用是万有引力的反作用力，在此基础上解释了现代航天技术中的一些现象，把宏观的万有引力与微观的弱相互作用联系在一起，从根本上解决了宇宙常数、暗物质与暗能量问题，定性的解释了引力常数异常问题，使万有引力定律的基础更加牢固。
关键词：弱相互作用、宇宙常数、引力常数异常、反引力、暗物质与暗能量问题
广义相对论有三点困难：1、引力场的量子化至今尚未解决，如使引力场与描述其它相互作用的规范场的统一尚未做到。2、彭罗斯和霍金提出的奇性定理，产生有奇性困难，如时间有开始与终结。3、相对论与热力学的不协调。如整个物理学、天文学中只有广义相对论中的时空是弯曲的，但它没有考虑时间方向性。量子理论同样也没有考虑时间方向性问题。热力学是物理学中唯一考虑时间方向性的一个分支，认为真实的物理过程不应该处在绝对零度，但它没有考虑时空弯曲的特性。《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题： １．自然界是否存在五种以上的基本作用力？５．负引力存在吗？
引力是人类最早认识的自然力。树上的苹果掉到牛顿的头上，太阳把行星捆在自己的周围，凡是有质量表达的物质都存在着吸引力，引力的大小与质量的乘积成正比，与作用距离的平方成反比。这一切都是由实验和研究证明的，引力统治着整个宏观世界。自从天文学家证实有暗能量存在以后，这一切全都改变了。统治宇宙的不再是仅占4%可以看得见的物质之间的引力作用，而是一种称之为“暗能量”的反引力作用。于是人们重新审视了太阳和其邻居比邻星（4.28光年）的关系，发现太阳的经典引力范围仅有0.055光年（它包括最近发现的太阳系第10号行星），即相当于现在的太阳系边缘（柯伊伯峭壁）的70倍，也就是说97.4%的范围变成了反引力的表达，它和太阳在银河系中的质量表达相一致。同一个太阳，为什么有两种方向相反的引力和反引力的表达？问题的严重性就在于太阳的物理学天空是透明的，反引力（暗能量）能藏在什么地方呢？后来，科学家在实验室里又发现了冷中子的反常表现。众所周知，中子有静止质量，和质子一起构成原子核，又和核外电子一起构成原子，构成分子。人们看到，不论何种分子构成的物质，等效原理总是成立，既然冷中子具有静止质量，理应遵循这条规则，然而实验却替冷中子作了“不”的回答。同一个中子，也有两种引力的表达。20世纪的引力理论显然对此无能为力。
（一）弱相互作用力
四种力的比较
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力的类型
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发生作用的距离
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力的强度(以强力为1)
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传递此力的粒子
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粒子的质量
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引力
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延伸到非常大的距离
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10-38
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没有发现
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不知道
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弱力
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约小于10-17cm
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10-13
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中间玻色子W+、W-和Z0
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约90吉电子伏
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电磁力
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延伸到非常大的距离
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10-2
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光子
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0
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强力
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约小于10-13cm
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1
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胶子
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假定为0
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注：1吉＝10亿
弱作用场存在于基本粒子的内部。弱力作用于所有的夸克和轻子。我们来看图3。
弱相互作用由三种基本类型： 轻子—轻子过程，即只有轻子参与的弱作用，又称为纯轻子过程。如轻子的衰变、中微子与带电轻子的散射等，
，
。
轻子—强子过程，既有轻子又有强子参与的弱作用，又称为半轻子过程。如电子中微子和中子的散射， 
。 强子—强子过程，即只有强子参与的弱作用，又称为强子过程。如强子的衰变，
。
先说一下轻子。轻子有三种：电子、
轻子和
轻子。它们具有相同的自旋和相同的电荷。轻子比电子重约200多倍，轻子比电子重约3500倍。轻子就是这三种粒子的统称。弱力主要的效应是改变粒子，粒子的质量会发生改变。例如弱力导致轻子衰变成比它轻的轻子、轻子在弱作用下变为电子。弱力的强度比电磁力小得多, 只有电磁场强度的千分之一。弱力作用范围很小，目前认为小于
厘米。量子味动力学也是在量子电动力学基础上建立的描述基本粒子之间弱相互作用的理论。现代物理学认为弱相互作用只适用于微观世界，可是微观与宏观没有截然的界限，这显然存在着不协调性。
弱相互作用的实质是物体由于具有一定的体积，因此当物体加速运动时两个相对表面的引力场的强度不同，或者说中微子的密度不同而产生的反引力，段灿光先生类比于浮力的观点有一定的道理，并利用下面的公式表示：
F=-kVγ0α，F代表弱相互作用，“—”代表与万有引力的方向相反，k 为比例常数，V代表物体的体积，γ0代表附近引力场的中微子的平均密度，α代表物体的加速度。
设V、m和γ分别为太阳系某一天体的体积、质量和平均密度，P为太阳对该天体的吸引力，F为该天体受到的弱相互作用，G为引力常数，M为太阳质量，r为日心到该天体质心的距离，a为该天体绕日运动的加速度。由（1）式和万有引力定律可得
P=GMm/r^2;F=-kVγ0α=-kmγ0α/V,计入弱相互作用，该天体绕日运动方程式为：
P+F= ma、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、（2）
（2）式中略去了其他天体的摄动力。式中P和a同方向，F和P反方向，代入已知量，把向量式改写为投影式得：
为了方便，把K叫做弱相互作用折减系数，G叫做绝对引力常数，G′叫做相对引力常数。因为弱相互作用常数同以太密度的乘积k γo始终大于零，所以弱相互作用折减系数K始终小于1。（3）式说明，在宇宙空间中，由于弱相互作用的影响，万有引力略有减弱。如将引力常数进行适当折减，万有引力计算公式仍可保持不变。具体做法是，用相对引力常数G′替换原计算公式中的绝对引力常数G。这就是万有引力计算公式的不变性，就是万有引力同弱相互作用的关系。
要特别指出的是，由于弱相互作用作用，引力常数变小了。但这并不是说，万有引力的确会随时空的变化而变化。以前人们对万有引力变化的种种猜测，都是由于对弱相互作用认识不清造成的。可以认为，万有引力规律是不变的、恒定的。但是，因为弱相互作用作用而出现的“非引力”效应，采用折减引力常数的办法来建立弱相互作用同万有引力之间的关系。把引力常数当作变量，这纯属是为了表达简便而进行的数学变换，并非引力常数真的在不断变化。实际上引力常数，无论数值精度高低，永远是一个常数，它不会随天体的运动状态、所处时空的位置而变化。惯性质量与引力质量等效也是有条件的。它只有在将物体浓缩为一个质点的前提下才能成立。实际上也是我们也是这样做的。在处理万有引力场中物体的相互作用时，我们不考虑物体的大小和形状。也不需要考虑物体的大小和形状。因为通常情况下物体的大小相对于产生引力场的物体极小。可以忽略不计。
现在我们用G(真)代表真实的引力常数，则离银心为R位置的恒星，其单位质量受到的真实引力F（真）=G（真）M/RR(1),式中M代表以R为半径的球体内天体的质量。为了打印和传输方便，请允许我用P代表以R为半径的体积内银河系物质的平均密度，则(1)式可变为F（真）=G（真）RAP,式中A为转换常数.关于反引力F(反)的表达式我们目前只估计它与密度P有关。其表达式渐定为F(反)=BP(2),式中B为待定常数我们上面说过作用在恒星单位质上面的有效力F(有效)应该等于引力和反引力两者的合力，即F(有效)=F(真)-F(反)(3),把(1)式和(2)式代入(3)式得F(有效)=G(真)RAP-BP=G(真)RAP-[G(真)RA/G(真)RA]BP=G(真)RAP[1-(B/G(真)RA)]=F(真)[1-(B/G(真)A)(1/R)]=F(真)(1-C/R)]式中C=B/G(真)A,得F(有效)=F(真)(1-C/R)(4)F(有效)=G(真)(1-C/R)RAP=G(有效)RAP,G(有效)=G(真)(1-C/R)(5),F(有效)=F真(1-C/R)(6)我们从(4)式可以看到，当银河系内的恒星离银心的距离R不断增大时，其受到的有效引力和开普勒定律比较也不断增大，所以恒星绕银心的运行速度随着R的增加也必须增加。我们从(5)式可以看到，当银河系内的恒星离银心的距离R不断增大时，其有效引力引力常数也不断增大，所以恒星绕银心的运行速度随着R的增加也必须增加。从以上讨论我们可以得出这结论，银晕以外的有效引力常数要比太阳附近的有效引力常数大。我们只要假定银晕上的有效引力常数是太阳系附近的有效引力常数的10倍，这时不管我们用太阳的运行速度去计算银河系的质量，还是用银晕外的恒星运行速度去计算银河系的质量。银河系的质量都是相等的，这时暗物质不存在了。
（二）万有引力与弱相互作用力的关系实验根据
由于正引力质量与引力场之间存在吸引力——弱相互作用，现代物理学中所指的引力可能是引力与弱相互作用的合力，由于弱相互作用比引力减小的快，1971年，日本东京大学教授藤伊安仪通过理论计算试图将基本粒子物理与万有引力联系起来，他的研究得出了一个出乎意料的结论：引力常数的大小与两个物体之间的距离有关。在近距离内，例如两个物体的距离缩短到1cm~10cm,甚至1cm之下时，G值是变化的。1976年，美国东华盛顿大学的丹尼尔声称，以物理学的实验为依据说明万有引力定律在近距离是错误的。科学家们在矿井、钻孔或海水内的真空中进行地球物理实验，来测定物体间的万有引力常数，得出的引力常数都高于地表实验室中的测定值。实验室测得，
，而地球物理测得的平均值为，
。科学家们一直不理解，同样是真空中，引力常数为什么会有区别呢？1981年7月，澳大利亚昆士兰大学的斯特塞和图克在实验室里做了一系列实验，也声称实验结果证明万有引力定律在近距离是失效的。这在物理学界引起了强烈的“地震”。 1992年，芬兰一位物理学家制造了一个直径为145厘米、厚度为6厘米的超导盘。他将超导盘温度降到零下233℃，然后将其置于一个交变电流产生的旋转磁场中超导体产生感应电流，感应电流受到电磁力的作用，从而使得超导盘跟着磁场旋转。一切原本都挺正常，但是，当超导盘的转速达到5000转/分钟时，一个奇怪的现象出现了：置于超导盘上的物体丧失了1%的重量，而且旋转速度越快，物体的重量丧失得越多。经研究，这位物理学家认为，这是由于"重力屏蔽"作用减少了地球对物体的引力，从而使得物体重力丧失了。1923年，一位科学家发现，大量充电的电容器，当电容器极板间的电压达到7万至30万伏时，整个电容器就会沿着正极方向移动，电容器的移动速度甚至可达每小时几百千米。这是怎么回事呢？经过一系列研究，科学家才明白，原来高压带电的电容器自身形成了一个人造重力场，这个重力场在抗衡地球重力，从而使电容器在没有动力的情况下移动。1958年，这位科学家利用这个原理，在一个直径为38厘米的碟形模型上，成功地使其带动重物快速移动。这个碟形模型既没有推进器，也没有喷射装置，更没有任何移动装置，只是利用电场在自身周围产生了一个"人造反重力场"。碟内的重物在碟做快速运动时不会有任何被移动的感觉，因为它们处于相同的变了形的局部重力场中。这个试验首次使人们感到了"反重力"的妙用。
美国反射的宇宙飞船先锋10号正在经历一种朝着太阳的神秘减速，这种力量很微弱：只相当于地球表面引力的一亿分之一，但事实证明了这种作用的持久性。而且它还在不断加大。如今先锋10号离太阳的距离是地球的80倍，比原定计划落后了40万公里，先锋11号在与航天局失去联系之前也在经历着同样的减速。科学家们排除了燃料或热量的泄露外，提出了暗物质的假说与镜物质的假说，但是他们都没有圆满解释这种现象。根据场的space-time本质的观点：暗物质或者镜物质其实就是space-time本身。因此弱相互作用是引力的反作用,它与万有引力的共同作用使宇宙处于相对稳定状态，它们是矛盾的两个方面。1998年12月29日《科技日报》评选出世界十大科技新闻之一：宇宙中存在反引力，1998年美国《科学》杂志评选出世界十大科技突破之一：宇宙中存在反引力。（见下面的参考资料）
2005年9月2日《自然》杂志网络版(www.nature.com)头版头条新闻中报道了国家天文台学者关于宇宙暗物质基本问题的研究成果。由于此项研究牵涉到物理学中一些根本性问题，论文在国际上引起了极大关注。
国家天文台的秦波博士与多伦多大学的Ue-LiPen及牛津大学的JosephSilk教授通过对天文观测所揭示的暗物质粒子的基本属性的研究，发现万有引力可能在小于一个纳米的微小尺度上开始偏离牛顿引力的平方反比率，而呈现1/r^5率。这暗示着我们的空间存在着三个尺度为1纳米的较大的额外维。这可能是人们首次找到额外维存在的证据，并对超弦理论作出实验或观测检验。
据悉，近年来超弦理论做为有望描述自然界一切相互作用的“大统一理论”而得到众多理论物理学家们的青睐,它预言宇宙空间除了我们熟知的三维空间外，还存在着额外维空间，即空间是3+N维的。这些N个额外维被局限在极小的空间尺度内。超弦及其所预言的额外维空间，作为纯粹的理论，几十年来从未得到实验的检验。“2004年8月，荷兰Delft技术大学的C.Duif发表一文，论述了‘日蚀时单摆的神秘现象’。众所周知1851年法国物理学家L.Foucault曾解释单摆的运动。单摆自由摆动时，在空间的路径应相同；但由于地球自转，单摆的运动平面缓慢转动。1954年夏天，一位法国工程师M.Allais发现，在日蚀时单摆的运动规律反常。原来，单摆的运动平面按顺时针缓慢转动；日蚀开始后，单摆的运动平面急剧地按反时针旋转；日蚀结束后恢复正常。著名火箭专家W.von Braun曾敦促Allais用英文发表报道文章。但Allais仅用法文写作并发表在刊物上，今天有人讲这是‘Allais所犯的最大的错误’。后来（1961年、1970年），别的科学家也发现了这个现象；但现在我们称其为‘Allais效应’。 Allais认为是以太（ether）的影响造成上述现象，但一直少有人同意他。他说：‘相对论学者们说我错了，但却不拿出证据来；其实他们之中大多数人并未读过我的文章’。后来逐渐有更多的人注意到此事，例如E.Saxl和M.Allen（在1970年），重做了实验，得到的结论是‘引力理论确实需要修改’。再后的研究者有D.C.Mishra和B.S.Rao（1995年，在印度）等；在美国工作的T.van Flandern也曾关注此事。英国的E.T.Goodey现在有一系列观测计划：2005年4月8日在南美Bogota，2006年10月3日在葡萄牙。另外，利用月蚀也能作类似的研究。”
参考资料
资料来源: 中国公众科技网
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远离地球飞船受未知力作用令科学家困惑(图)
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2001-12-10
14:25:58 周道奇
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科学家们发现，无法解释的力会使离开地球很远距离的航天飞船偏离运行轨道。这可能是发生在飞行器上的微弱变化结果，但是科学家警告说，这也可能是现有的引力慨念需要重新审视的最重要指数。负责这项研究的美国国家航空和航天局约翰•安德森博士指出，“这几乎是一种宇宙飞船表现出与引力定律相矛盾的现象，科学家研究这一问题已有几年时间，现在只能说，一切都可能是这一现象的原因”。
现已查明，不明原因的力曾作用于4艘位于遥远太阳系区域的飞船上。Pioneer-10飞船1972年发射升空飞向太阳系外的行星，现正位于木星附近，仍能与地球保持无线电通讯。在研究发自Pioneer-10飞船的无线电信号多普勒效应时，科学家能计算出飞船在宇宙空间的移动有多快。自1980年以来，Pioneer-10的运行轨道一直被仔细跟踪观测，令科学家迷惑不解的是，Pioneer-10速度的下降幅度比预计的要快得多。最初有人认为，这可以用气体在小范围区域内产生的力或飞船在太阳系中看不见物体引力作用下偏离轨道来解释。
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随后又分析了另一艘1973年发射的Pioneer-11飞船，该飞船也受到了神秘力的作用。当时科学家遇见了某种科学上未知力的作用：因为Pioneer-11位于与Pioneer-10相反的太阳系一端——相距220亿公里。这意味着，这样的作用不可能用某种暂时未知天体的引力来解释。此外，还有另一种假设，即当“Galileo”号探测器和“Улисс”号探测器围绕太阳飞行时，它们也受到这种神秘力的作用。安德森博士及其同事在自己的研究领域中对飞船Pioneer的位置和各种弱力进行了深入研究，这些弱力在理论上可以对飞船发生作用。结论令人感到沮丧：“我们的分析提供了假设的理由，但这些机理不能解释所观测到的Pioneer运转状态改变的幅度”。曾有人提出这样的假设，关于飞船移动的数据显示了引力偏差，引力偏差只有在非常大的距离上才会出现。同时有人指出，此引力看来与在宇宙中起作用的两个物理常数有关：光速和宇宙膨胀速度。虽然如此，其他一些研究人员不同意这类假设，认为如果Pioneer飞船的反常现象真的说明有必要修改我们的引力理论，则这类变化应该出现在围绕太阳运转的行星轨道上，但是没有观测到类似现象。目前这样的神秘效应仍是一个不解之谜，由于4艘飞船永远不会再返回地球，因此神秘效应仍会永远继续下去。
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译自俄《宇宙信息分析高架网》
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