空間探測(cè)器的飛掠以及月球的軌道并沒有嚴(yán)格地符合理論預(yù)言。難道是還存在著一種未知的引力？
1687年，牛頓（1642-1727）出版了他的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，在這本書中他詳細(xì)地講述了他的引力理論。在之后的幾個(gè)世紀(jì)里，牛頓的引力和觀測(cè)結(jié)果符合得很好，但是也有個(gè)別例外。在大約230年后的1916年，愛因斯坦（1879-1955）發(fā)表了他的廣義相對(duì)論。他的理論回答了長(zhǎng)期以來關(guān)于引力是如何作用的疑問。但是現(xiàn)在看來廣義相對(duì)論似乎并沒有回答所有的問題。因?yàn)樵谶^去了幾十年里，觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)了一些新的有趣的引力現(xiàn)象。為了解決觀測(cè)到的這些“異?！?，也許需要再一次地修改引力理論。
19世紀(jì)中，勒威耶注意到了水星位置和理論預(yù)報(bào)之間的偏差。以太陽和一顆行星為例，按照牛頓引力的預(yù)言，行星會(huì)在一條橢圓形的軌道上繞太陽運(yùn)動(dòng)。然而，當(dāng)天文學(xué)家把其他行星的引力作用也考慮進(jìn)去的時(shí)候，這就不再成立了。不過你也可以假設(shè)行星依舊沿著橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，只不過這條橢圓軌道本身會(huì)由于其他行星的影響而開始轉(zhuǎn)動(dòng)。
水星的這種“軌道轉(zhuǎn)動(dòng)”則體現(xiàn)在了它近日點(diǎn)（水星軌道上最靠近太陽的那一點(diǎn)）的進(jìn)動(dòng)上。牛頓的理論預(yù)言，水星的軌道應(yīng)該每世紀(jì)進(jìn)動(dòng)531個(gè)角秒，或者大約每過244,000年水星的近日點(diǎn)就會(huì)回到相同的位置。但勒威耶卻無法調(diào)和望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的水星位置和牛頓理論預(yù)言之間的差異。水星橢圓軌道轉(zhuǎn)得太快了。1882年，美國(guó)天文學(xué)家紐康（1835-1909）細(xì)化了勒威耶的計(jì)算，并且證實(shí)了水星軌道確實(shí)轉(zhuǎn)得過快，每世紀(jì)多了43個(gè)角秒，或者比牛頓引力的預(yù)言快了8%。
直到愛因斯坦發(fā)表他的廣義相對(duì)論，科學(xué)家們一直沒有找到對(duì)水星“異?！边M(jìn)動(dòng)的合理解釋。但即便是愛因斯坦他本人在發(fā)展廣義相對(duì)論的時(shí)候也沒有意識(shí)到水星的軌道運(yùn)動(dòng)所存在的問題。
大約一個(gè)世紀(jì)后的今天，我們也許就像那個(gè)時(shí)候一樣正處于另一次飛越的邊緣。
天文學(xué)家在1687年牛頓公布了他的引力定律之后便了解了月球圍繞地球的運(yùn)動(dòng)。如果需要以非常高的精度來描述月球運(yùn)動(dòng)的話，科學(xué)們則還會(huì)使用廣義相對(duì)論。畢竟這是目前最好的引力理論。不過這里面似乎還少了些什么。
20世紀(jì)70年代美國(guó)的宇航員和蘇聯(lián)的探月著陸器分別把激光反射鏡送上了月球表面。天文學(xué)家們使用這些反射鏡來跟蹤月球的位置，其精度可以達(dá)到大約1厘米，或者千億分之二的量級(jí)。
在分析了38年的由激光測(cè)月得到的高精度地月距離數(shù)據(jù)以后，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的詹姆斯?威廉姆斯（James Williams）發(fā)現(xiàn)，月球圍繞地球的軌道正在越來越偏離圓形。2006年威廉姆斯報(bào)告說，月球近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的距離差正在以意料之外的每年6毫米的速度增長(zhǎng)。不過有些人認(rèn)為并不需要擔(dān)心。因?yàn)樵诘厍蚝驮虑騼?nèi)部的潮汐力也會(huì)作用于月球的軌道。
在考慮了潮汐阻尼的作用之后，威廉姆斯還是發(fā)現(xiàn)了月球軌道中剩下的無法解釋的變化。他預(yù)計(jì)潮汐阻尼造成了月球軌道偏心率的變化，但是這個(gè)變化快了大約3倍。對(duì)此目前還沒有一個(gè)清楚的解釋。
2004年美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的邁爾斯?斯坦迪什（E. Myles Standish）發(fā)現(xiàn)，太陽系的距離尺度――天文單位（AU）――似乎在變大，因此這也等效為太陽的引力在變大。
天文單位――太陽和地球間的平均距離――被認(rèn)為是一個(gè)天文常數(shù)?？茖W(xué)家使用雷達(dá)測(cè)距技術(shù)來測(cè)量地球和行星之間的距離，進(jìn)而得出天文單位的數(shù)值。天文學(xué)家測(cè)得的天文單位已經(jīng)具有了11位有效數(shù)字，使得它成為了被測(cè)量得最精準(zhǔn)的天文常數(shù)。
使用激光我們可以確定月球到地球的距離，但是由于行星距離我們太遠(yuǎn)了，因此要使用雷達(dá)。激光測(cè)月的精度已經(jīng)達(dá)到了大約1厘米的水平，而雷達(dá)測(cè)距的精度則大約為1-10米。在火星上有三個(gè)和飛機(jī)上所使用的非常相似的無線電應(yīng)答器。這些應(yīng)答器分別裝載在“海盜”1號(hào)著陸器（1976年7月20日-1982年11月13日）、“海盜”2號(hào)著陸器（1976年9月3日-1980年4月11日）以及“火星探路者”探測(cè)器（1997年7月4日-1997年10月7日）上。
位于美國(guó)加州、澳大利亞和西班牙的美國(guó)宇航局深空探測(cè)網(wǎng)可以測(cè)量著陸器和地球之間的距離。但是應(yīng)答器和月亮上激光反射鏡不同，它并不是被動(dòng)型的裝置，需要探測(cè)器供給能源。
1976年-1997年積累下來的火星著陸器數(shù)據(jù)為探測(cè)行星軌道運(yùn)動(dòng)提供了寶貴的資料。
俄羅斯圣彼得堡應(yīng)用天文研究所的喬治?科蘭金斯基（Georgij Krasinky）和維克多?布隆伯格（Victor Brumberg）使用這些數(shù)據(jù)以及由同一研究所的艾蓮娜?佩特耶娃（Elena Pitjeva）提供的其他位置數(shù)據(jù)來分析了大約204,000個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)。2004年科蘭金斯基和布隆伯格發(fā)現(xiàn)，天文單位正在以每世紀(jì)15米的速度增長(zhǎng)。
2005年佩特耶娃公布了對(duì)從1913年到2003年間317,000次觀測(cè)更為詳細(xì)的分析結(jié)果。她的分析是在廣義相對(duì)論框架下進(jìn)行的，這也是對(duì)廣義相對(duì)論在引力系統(tǒng)中最好的檢驗(yàn)之一。
佩特耶娃的這一結(jié)果將太陽系的距離尺度――天文單位――確定到了1米的精度。在這一精度下，1967年到2003年的位置資料顯示天文單位正在隨著時(shí)間變大。
佩特耶娃和斯坦迪什的最新測(cè)量顯示天文單位正在以每世紀(jì)7米的速度增長(zhǎng)。但是天文單位應(yīng)該是保持不變的！
奇怪的引力現(xiàn)象并不僅僅局限在太陽系的自然天體上。正在從兩個(gè)相反方向離開太陽系的“先驅(qū)者”10號(hào)和11號(hào)也存在著異常，它們所在位置與理論預(yù)言的也對(duì)不上。
“先驅(qū)者”10號(hào)發(fā)射于1972年3月2日。1973年12月4日飛過木星，并借助木星的引力來飛出太陽系?，F(xiàn)在“先驅(qū)者”10號(hào)已經(jīng)越過了所有的大行星，距離太陽96個(gè)天文單位，并且正在以每年2.5個(gè)天文單位的速度向太陽系外進(jìn)發(fā)。以目前的速度，它會(huì)在2百萬年內(nèi)到達(dá)畢宿五（金牛α）附近。
“先驅(qū)者”11號(hào)發(fā)射于1973年4月6日。當(dāng)它在1974年12月2日飛臨木星的時(shí)候，木星的引力把它推入了會(huì)和土星相會(huì)的軌道。1979年9月1日“先驅(qū)者”11號(hào)抵達(dá)土星，然后又借助土星的引力它最終踏上了遠(yuǎn)赴太陽系之外的征程。和“先驅(qū)者”10號(hào)相比，“先驅(qū)者”11號(hào)到太陽的距離要更近一些，距離太陽大約75個(gè)天文單位。同時(shí)它的速度也要稍慢一些，每年朝天鷹座方向前進(jìn)2.4個(gè)天文單位。在大約4百萬年之后它會(huì)從天鷹λ附近穿過。
深空探測(cè)網(wǎng)在它們飛得太遠(yuǎn)而無法通訊之前會(huì)一直跟蹤這兩個(gè)探測(cè)器。在20世紀(jì)90年代末，美國(guó)拉斯阿拉默斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的邁克爾?馬丁?尼托（Michael Martin Nieto）、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的約翰?安德森（John Anderson）、斯拉瓦?托拉謝夫（Slava Turyshev）和尤尼斯?勞（Eunice Lau）以及美國(guó)航天公司的菲利普?萊恩（Philip Laing）和安東尼?劉（Anthony Liu）分析了“先驅(qū)者”10號(hào)為期11年和“先驅(qū)者”11號(hào)為期4年的深空探測(cè)網(wǎng)觀測(cè)資料。
跟蹤數(shù)據(jù)顯示，1998年“先驅(qū)者”10號(hào)的位置比根據(jù)牛頓和愛因斯坦的引力理論預(yù)期的近了58,000千米。當(dāng)該研究小組在1998年公布這一結(jié)果的時(shí)候，他們提出這一偏差可能是由于某種未知的作用在探測(cè)器上的力或者是觀測(cè)數(shù)據(jù)中存在系統(tǒng)誤差所造成的。但是10年過去了，至今還沒有人能對(duì)此給出一個(gè)令人滿意的解答。
“先驅(qū)者”11號(hào)的情況也差不多。從4年的跟蹤數(shù)據(jù)來看，它的距離比預(yù)期的要近了大約6,000千米。這就好像有某種力作用在這個(gè)兩個(gè)探測(cè)器上，使得它們?cè)谝院愣ǖ乃俾蕼p速。
不幸的是，同樣正在飛離太陽系的“旅行者”號(hào)探測(cè)器無法用來檢驗(yàn)這一觀測(cè)到的“先驅(qū)者”號(hào)異常。原因就在于“旅行者”號(hào)探測(cè)器會(huì)不斷地噴射氣體來保持自身的平衡。而這一做法就使得它們無法被用來精確地探測(cè)太陽系中的引力。
檢驗(yàn)這一異常的最佳機(jī)會(huì)是于2006年1月19日發(fā)射的冥王星探測(cè)器“新視野”號(hào)。它于2007年2月28日飛過了木星，目前它和“先驅(qū)者”號(hào)一樣正通過自身的旋轉(zhuǎn)來保持穩(wěn)定，以等待2015年7月最終到達(dá)冥王星。然而，與“先驅(qū)者”號(hào)不同的是，“新視野”號(hào)不是被設(shè)計(jì)來精確跟蹤它的軌道的。也許在2010年或者2011年通過“新視野”上有限的跟蹤系統(tǒng)能告訴我們一些有關(guān)“先驅(qū)者”號(hào)異常的線索。
噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家詹姆斯?坎貝爾（James K. Campbell）、約翰??？颂m（John E. Ekeland）、喬丹?埃利斯（Jordan Ellis）、詹姆斯?喬丹（James F. Jordan）和約翰?安德森在2008年3月7日出版的《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》上撰文，發(fā)現(xiàn)6個(gè)借助地球引力助推的探測(cè)器軌道能量存在異常變化，而且這些異常的變化無法用牛頓引力定律來解釋。
在1990年12月伽利略探測(cè)器飛掠地球時(shí)的深空探測(cè)網(wǎng)跟蹤數(shù)據(jù)中第一次發(fā)現(xiàn)了這一異常。當(dāng)時(shí)“伽利略”距離地球大約2百萬千米，正以每秒8,891米的速度向地球靠近。在考慮了所有來自月亮、太陽和其他行星的已知引力效應(yīng)之后，科學(xué)家們預(yù)計(jì)當(dāng)“伽利略”離開地球到相當(dāng)?shù)木嚯x的時(shí)候也應(yīng)該具有相同的速度。然而，測(cè)量卻發(fā)現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)速度比預(yù)想的要快。它超速了每秒4毫米，盡管這個(gè)值非常小，但是它實(shí)實(shí)在在的就在觀測(cè)數(shù)據(jù)里。于是科學(xué)家們決定等待更多的探測(cè)器飛掠地球的事件，以便來確認(rèn)它們是否也存在著類似的速度變化。
2年之后伽利略探測(cè)器再一次飛過地球，不過這一次它飛進(jìn)了地球上層大氣，因此無法用來測(cè)量微小的引力效應(yīng)。
再下一次飛掠的是1998年1月的舒梅克近地小行星探測(cè)器，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)也存在著加速現(xiàn)象。它的加速效應(yīng)大約是“伽利略”的3倍，達(dá)到了每秒13.5毫米。這一結(jié)果著實(shí)把科學(xué)家們給難住了。是什么為探測(cè)器注入了能量并且讓它們加速的呢？科學(xué)家們還在2005年3月的羅塞塔探測(cè)器上觀測(cè)到了類似的現(xiàn)象，這次它的反常速度為每秒2毫米。在《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》的文章發(fā)表之后，2007年11月13日羅塞塔探測(cè)器又一次飛掠地球進(jìn)行另一次引力助推。這次飛掠的高度為5,295千米，沒有發(fā)現(xiàn)任何反常效應(yīng)。2009年11月13日羅塞塔探測(cè)器會(huì)最后一次飛掠地球，并借助地球的引力飛向最終的目標(biāo)丘留莫夫-格拉西緬科彗星。
計(jì)劃于2011年8月的發(fā)射的“朱諾”木星探測(cè)器會(huì)自2013年10月飛掠地球進(jìn)行引力助推，這將是近期觀測(cè)這一效應(yīng)是否屬實(shí)的絕佳機(jī)會(huì)。
這些異常給我們帶來了一些新東西。天文學(xué)家們正在嘗試把不同的探測(cè)器速度變化聯(lián)系起來。許多人相信“先驅(qū)者”號(hào)探測(cè)器自身的熱輻射造成了測(cè)量結(jié)果和理論預(yù)言之間的偏差，而一些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“先驅(qū)者”號(hào)異常的70%可能是由熱輻射所造成的。如果熱輻射確實(shí)是異常的罪魁禍?zhǔn)椎脑?，那么隨著探測(cè)器上能源的枯竭，“先驅(qū)者”號(hào)減速的幅度應(yīng)該持續(xù)減小。但是天文學(xué)家并沒有觀測(cè)到這一現(xiàn)象。在11年的時(shí)間里“先驅(qū)者”號(hào)的減速速率基本保持不變。
2006年德國(guó)不萊梅大學(xué)的克勞斯?萊曼蔡爾（Claus Laemmerzahl）和漢斯榮格?迪特斯（Hansjoerg Dittus）以及馬普太陽系研究所的奧利佛?普洛斯（Oliver Preuss）研究并且排除了有關(guān)“先驅(qū)者”號(hào)以及地球飛掠異常的許多解釋，這其中包括地球大氣、海洋潮汐、地球固體潮、探測(cè)器帶電、磁矩、地球反照率以及太陽風(fēng)。它們的貢獻(xiàn)都不足飛掠異常的10%，而且絕大多數(shù)效應(yīng)所能產(chǎn)生的影響都要比觀測(cè)到的小1,000倍以上。
盡管科學(xué)家們都相信這些太陽系的異?，F(xiàn)象背后都有一定的解釋，但是沒人能給出一個(gè)清晰的源頭。一種觀點(diǎn)是，新的引力理論可以解釋觀測(cè)到的異常。也許天文學(xué)正在經(jīng)歷向一種新的物理學(xué)或者至少是一種新的引力理論的轉(zhuǎn)變。
從20世紀(jì)70年代以來，天文學(xué)家就已經(jīng)知道，星系外圍物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)會(huì)破壞牛頓引力定律。按照原先的預(yù)期，星系外圍沿橢圓軌道轉(zhuǎn)動(dòng)的恒星的速度會(huì)隨著到星系中心距離的增加而減小。但是觀測(cè)到的結(jié)果卻并非如此。與逐漸減小不同，在星系中很大的范圍內(nèi)，不同距離上的天體繞星系中心轉(zhuǎn)動(dòng)的速度幾乎都完全一樣。
天文學(xué)家為此假設(shè)星系中還存在著大量看不見的物質(zhì)，它們束縛住了星系中的恒星。由于這些額外的物質(zhì)只參與引力作用而又無法被觀測(cè)到，因此被稱為“暗物質(zhì)”。于是在暗物質(zhì)的幫助下，觀測(cè)結(jié)果又能和牛頓引力相符合了。
然而，以色列魏茲曼研究所的莫德海?米爾格隆姆（Mordehai Milgrom）在1983年第一個(gè)提出了另一種觀點(diǎn)，使用修改的牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）來解釋觀測(cè)到的星系運(yùn)動(dòng)。這算不上是一個(gè)新的理論，但是這一修改可以擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)。
MOND認(rèn)為牛頓動(dòng)力學(xué)在極低密度環(huán)境下將不再適用。正如它的名字，MOND通過修改牛頓動(dòng)力學(xué)使得引力可以在低密度系統(tǒng)中變強(qiáng)。
MOND可以在不需要暗物質(zhì)假設(shè)的情況下解釋星系外圍恒星的運(yùn)動(dòng)。米爾格隆姆提出，在星系的外圍區(qū)域中牛頓運(yùn)動(dòng)定律而不是牛頓引力定律發(fā)生了改變。在靠近星系中心的地方以及太陽系內(nèi)，原來的牛頓定律和愛因斯坦的廣義相對(duì)論依然適用。
如果MOND確實(shí)是正確的，那么就需要一個(gè)新的引力理論來解釋它。于是，換句話說就不再需要暗物質(zhì)了。
如果最終我們發(fā)現(xiàn)了是什么造成了探測(cè)器預(yù)料之外的加速和異常以及月球軌道和太陽引力的變化，那么我們就會(huì)知道我們是否真的了解引力了。
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