探索丨万有引力和广义相对论之外的引力

引力是一种无处不在、无时不在的神秘力量。从苹果落地到行星绕日，从银河旋转到宇宙膨胀，引力无时无刻不在编织着宇宙的宏伟图谱。然而，当我们谈论引力时，往往会首先想到牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论。但在这两大理论之外，引力是否还隐藏着更多未解之谜？让我们一起踏上这场探索之旅，揭开引力未知边界的面纱。

▏****地球上的引力一、万有引力提及引力，牛顿的万有引力定律无疑是最先跃入脑海的。这个简洁而强大的公式，不仅解释了地球为何能吸引月球，也揭示了太阳如何束缚住八大行星。然而，随着科学的发展，人们逐渐发现，牛顿的理论在极端条件下（如黑洞附近或宇宙大爆炸初期）开始显得力不从心。这时，爱因斯坦的广义相对论应运而生，为引力理论带来了革命性的飞跃。二、广义相对论爱因斯坦将引力视为时空的弯曲，而非传统意义上的力。在广义相对论的框架下，质量巨大的物体（如恒星或黑洞）会扭曲周围的时空结构，从而影响其他物体的运动轨迹。这一理论不仅成功解释了水星近日点进动、光线在强引力场中的弯曲等天文现象，还为黑洞、引力波等奇异现象提供了理论基础。然而，即便如此，广义相对论也并非引力的终极答案。在广义相对论之外，科学家们从未停止对引力的深入探索。暗物质和暗能量的存在，就是当前引力理论面临的最大挑战之一。这两种神秘的力量占据了宇宙总质量的绝大部分，却至今未能被直接探测到。它们的存在，不仅影响着星系和星团的运动规律，也挑战着我们对引力本质的理解。

▏****远古星系当前理论认为，星系的起源与引力的作用息息相关。星系在初时是微小且不可见的，然而随着时间的推移，通过引力的逐渐作用，物质被一点一点地聚集起来，星系便开始慢慢成长。然而，我们所观测到的星系并非其当前状态，而是过去的影像。这意味着我们看到的星系是几百万年、几千万年、几亿年甚至几十亿年前的模样。因此，星系距离我们越远，我们所观察到的星系就越古老。根据这个逻辑，我们可以推断出越古老的星系应该越小，因为我们观察到的是它们在早期发展阶段的样子。然而，在现实中，科学家们已经观测到了130多亿年前的远古星系。按理说，这样的新生星系应该非常小，但事实上它们却依然庞大。以宇宙的年龄来看，这样的规模似乎并不合理。此外，宇宙中存在着庞大的星系长城，如武仙-北冕座长城长达百亿光年。根据当前对宇宙的理解，如此庞大的结构似乎超出了引力理论所能解释的范围。那么，宇宙的本质究竟如何理解呢？宇宙并非空旷无物，而是一个充满“海子”的海洋。“海子”是比基本粒子还要小无数倍的超小粒子，它们构成了宇宙的海洋。在这个宇宙海洋中，星系是天然存在的旋涡，它们并非由一个小星系逐渐成长而来。这种旋涡形态不仅体现在我们观测到的旋涡星系中，也体现在其他天体现象中。例如，台风和地球海洋中的洋流水系都是天然形成的旋涡形态。星系作为一个巨大的圆盘形旋涡，其形状一目了然。无论是通过照片还是理论推导，我们都可以清晰地看到这一特点。而宇宙中的大尺度纤维状结构则可以被视为洋流水系，它们在宇宙海洋中流淌、交织。例如，双鱼-鲸鱼座超星系团复合体、拉尼亚凯亚超星系团以及室女座超星系团等都是宇宙中洋流水系的典型代表。进一步地，宇宙中的洋流可以形成星系旋涡，而这些旋涡中又可以孕育出天体杂质。这一过程体现了宇宙的层层递进、相互关联的特性。我们可以将其简化为一个顺序：宇宙（海洋）→ 纤维（洋流）→ 星系（旋涡）→ 天体（杂质）。这样的层次结构不仅符合我们对宇宙的理解，也与我们所观测到的宇宙现象相吻合。

▏****星系旋转曲线牛顿在前人如哥白尼、开普勒的研究基础上，进一步提出了万有引力理论。该理论指出，引力的大小与质量成正比关系，而与距离的平方成反比关系。换言之，质量越大的物体，其引力也就越强；相反，质量较小的物体则引力较弱。同时，当两个物体间的距离越近时，它们之间的引力就会越大；而距离越远，引力则相应减小。然而，这一理论在银河系的应用中却遭遇了挑战。据观察，银河系中心的黑洞人马座A星的质量仅为430万倍太阳质量，却要掌控2000亿颗恒星的质量。这一现象显然与牛顿理论所描述的情况不符，显得颇为不合理。此外，银河系内恒星的公转速度并未随距离的增加而有所减缓，内外公转速度竟相差无几，同样与牛顿的理论相悖。科学家们绘制了太阳系和银河系的星系旋转曲线，这两者的曲线形态截然不同。太阳系的星系旋转曲线呈现为一条向下的斜线，而银河系的星系旋转曲线则是一条平直的直线。尤其是银河系的外围旋转速度异常快速，明显与牛顿理论所描述的情况不一致。面对这一系列的不合理解释，科学家们提出了一个假设：银河系中存在着大量不可见的暗物质。这些暗物质为银河系提供了额外的引力支持。然而，尽管人类绞尽脑汁，却始终无法找到暗物质的任何踪迹。然而，问题可能并不在于暗物质的存在与否。实际上，这一问题与温度密切相关。温度是粒子热运动剧烈程度的体现：温度越高，粒子运动越快；温度越低，粒子运动则越慢。值得注意的是，温度与速度之间存在着紧密的联系。宇宙并非空无一物，而是一个充满超小粒子的海洋。我将这些超小粒子命名为“海子”。星系实际上是由这些海子形成的巨大圆盘形旋涡，而引力则是这一旋涡的吸力。天体则可视为旋涡中的杂质。因此，星系的主体是海子，而非星球。星球实际上是飘浮在海子中的杂质。当我们测量星系的公转速度时，实际上我们测量的是海子的流动速度。这就像气球在空气中飘行，我们测量的是空气的流动速度一样。海子的温度决定了其流动速度，进而影响了星系的公转速度。当温度升高时，海子流动加快，星系和星球的运转速度也会相应加快；而当温度降低时，海子的流动减缓，星系和星球的运转速度也会随之减慢。回顾历史，我们对引力的研究或许从一开始就存在误解。以太阳系为例，由于其中心有发光天体，导致海子的流速在内部较快而在外部较慢。这进而导致行星的公转速度也是内快外慢。然而，当我们研究像银河系这样的星系时，由于其内外都有发光天体，海子的流速在内外部都较快，导致恒星的公转速度也是内快外快。这解释了为什么太阳系的星系旋转曲线与银河系的星系旋转曲线不同，其实质上是两者发光天体的排列和温度分布差异所造成的。因此，我们不必再寻找暗物质，无论是太阳系还是银河系，只要我们测量它们的“明暗曲线”、“温度曲线”和“旋转曲线”，这三条曲线将几乎相同，甚至完全吻合。这为我们理解星系的运行机制提供了新的视角和思路。

▏****南极、北极我们知道，在宇宙的广阔舞台上，地球及众多天体的磁极皆有其特定的位置。地球的磁北极实则位于地理南极附近，而磁南极则位于地理北极。不仅如此，木星、太阳乃至银河系亦然，它们的磁极均分布在各自的南极和北极。科学家在银河系的南极和北极区域，发现了两个神秘的大气泡，它们被形象地称为“费米气泡”。这些气泡中蕴含的奥秘，尚待我们探索。同时，脉冲星和类星体这两种天体，都会从它们的南极和北极喷发出粒子流。脉冲星的喷流现象展示了其强大的能量释放，而类星体的喷流则揭示了其活跃的物理过程。超新星爆炸是宇宙中极为壮观的现象。在爆炸发生时，物质会以惊人的速度从其南极和北极被喷射出来。那么，为什么这些与南极、北极相关的现象如此引人注目呢？为什么这些位置在宇宙中显得如此特殊？除了磁极和喷流现象，宇宙中的恒星也展现出令人着迷的形态变化。有些恒星会经历变形，其南极和北极区域会凸起。而新诞生的恒星，更是会从其南极和北极喷出粒子流。这些现象挑战了我们对于万有引力的传统理解。众所周知，引力是宇宙中不可或缺的力量，它维持着星系、行星和恒星之间的相互吸引。然而，在这些特殊的天体南极、北极现象中，引力似乎并不足以解释所有的观察结果。牛顿的万有引力理论和爱因斯坦的广义相对论在这类现象面前似乎都显得捉襟见肘。实际上，宇宙中的星系犹如巨大的圆盘形旋涡，由无数“海子”形成。这些旋涡有着高压区和低压区，而星系的南极和北极正是这些低压区的所在。物质通常从高压区的旋涡盘中进入星系，然后被吸引向低压区的南极和北极，从而产生了各种喷流和喷发现象。在宇宙的舞台上，存在着多种多样的旋涡现象。地球上的旋涡受到地球引力的影响，形成上吹和下吸两种旋涡。而在太空中，失重的环境下会形成一种圆盘形的旋涡，我们称之为“中引旋涡”。这种旋涡将物质从四周引向中心，形成了星系。星系的旋涡快速自转，在南极和北极的低压区会形成两个小的漏斗状海子旋涡。其中一个上吹形成天体磁北极，另一个下吸形成天体磁南极。这两个小旋涡的旋涡尾在天体中心处相连，形成一个磁泡包裹天体，从而产生了天体磁场。平时我们无法直接观察到这些小旋涡，但当太阳风带来带电粒子时，我们可以通过极光来间接观测到它们的存在。当天体的质量、体积、能量和内压达到一定程度时，其在南极和北极的低压区会受到挤压而凸起，导致天体变形。当中心天体的质量继续增大，能量和内压继续升高时，南极和北极的低压区甚至会出现破洞，从而吹出气泡或喷出粒子流。这些粒子包括海子、光子等多种基本粒子。当中心天体的质量、体积、能量和内压达到极限时，其南极和北极的破洞将变得巨大无比，中心天体便可能发生爆炸。这种爆炸是天体演化的重要过程之一。在爆炸发生时，物质不仅从天体的南极和北极被喷射出来，还从旋涡盘中被喷射出来。这些喷射出的物质在宇宙中散开并可能形成新的天体或参与星系的形成过程。因此我们可以说这些南极、北极的特殊位置及其相关的喷流、喷发、变形等现象是宇宙演化过程中的重要环节是塑造星系和天体的重要力量是揭示宇宙奥秘的关键所在。

▏****黑洞和奇点奇点，乃黑洞核心之所在，乃依据现今理论，物质、能量、空间、时间皆汇聚于一点，其深邃难测，故以“奇点”命名，意指奇异之所在。光子犹如海洋上漂泊的云团，具备飘动性，随海流流转。星系则是由海子所形成的旋涡，其引力如同旋涡之吸力，能带动热云团运动，因此光子亦会受到引力影响。在星系中心，由于引力强大无比，一旦光子进入特定范围，便无法逃脱。这个明显的分界线即为事件视界，而此等天体即为黑洞。黑洞之强大引力可将正电子、负电子、中微子以及光子等压缩在一起，形成如结晶体般的存在，此即奇点。实质上，它们均由海子构成，因此可被压缩在一起。奇点之形成原理与中微子颇为相似，皆为海子在超高压下凝结而成，只是奇点体积较中微子大许多。奇点可视为一个超大的中微子，亦为海子在超高压下的产物——结晶体。黑洞内部之景象仿佛龙卷风、水漩涡、热云团、冰雹、风和空气等元素在超高压下被压缩为一体，其实质仍为海子所形成。故此种种元素皆可被压缩在一起。黑洞并非仅进不出，若其质量、体积、能量及内压达到一定程度，其周围旋涡盘高压区之挤压下可能导致南极、北极低压区出现大破洞，从而喷发粒子流。例如在M87星系中，其南极、北极便有粒子流喷发。此外，若黑洞之各项参数过于庞大，甚至可能引发黑洞爆炸。如在蛇夫座星系团中，已有黑洞爆炸之实例。此种现象虽罕见，但揭示了宇宙中存在着不可预测的能量转换与爆发。奇点的存在与黑洞的奥秘一同揭示了宇宙的深邃与神奇，令人类对宇宙的认识更上一层楼。（图片源自网络）
作者 | 几维鸟毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

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