科学网-[最主流，建议，优先权] 从实验出发寻找新的更好的引力理论-杨正瓴的博文

切换到桌面版

[最主流，建议，优先权] 从实验出发寻找新的更好的引力理论

2024-9-23 22:50

阅读：749

汉语是联合国官方正式使用的 6 种同等有效语言之一。请不要歧视汉语！

Chinese is one of the six equally effective official languages of the United Nations.

Not to discriminate against Chinese, please!

[最主流，建议，优先权] 从实验出发寻找新的更好的引力理论

引力理论： theory of gravitation

相对论的天体测量检验： astrometric test of relativity

旋回： cycle

核心：

（1）太阳系天体运动的分析，

（2）人工的实验室测量，

是从实验出发寻找“更好的”引力理论的建议。

俺的偶像爱因斯坦（Albert Einstein）1933-06-10 在 the Herbert Spencer lecture at Oxford 《On the Method of Theoretical Physics 关于理论物理学的方法》里说: “Pure logical thinking cannot yield us any knowledge of the empirical world; all knowledge of reality starts from experience and ends in it. Propositions arrived at purely by logical means are completely empty as regards reality. Because Galileo saw this, and particularly because he drummed it into the scientific world, he is the father of physics —— indeed of modern science altogether. 纯粹的逻辑思维不能给我们任何关于经验世界的知识；一切关于实在的知识，都是从经验开始，又终结于经验。就现实而言，纯粹通过逻辑手段得出的主张是完全空白的。由于伽利略看到了这一点，特别是因为他将其强力引入了科学界，因此他是物理学的父亲 —— 完全代表了现代科学。”

又如爱因斯坦所言：“在真理的认识方面，任何以权威者自居的人，必将在上帝的嬉笑中垮台！Whoever undertakes to set himself up as judge in the field of Truth and Knowledge is shipwrecked by the laughter of the gods.”——The New Quotable Einstein 爱因斯坦 - Essay to Leo Baeck (1953)

一、现在已经有许多种的引力理论

1.1 2022-01-20，相对论的天体测量检验/astrometric test of relativity/黄天衣，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=107747&Type=bkzyb&SubID=150497

广义相对论并不是当今存在的唯一引力理论。一方面是因为实验和观测还不能对理论做出最后的选择，也来自物理理论本身发展的需求。暗物质和暗能量的理论解释，量子引力理论的发展，都使得物理学家认为广义相对论不是最后的引力理论。高精度天体测量是检验引力理论的主要手段。

1.2 其它的主流观点，请看：

（1）爱因斯坦广义相对论并不是当今存在的唯一引力理论

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1346962.html

（2）[请教，说明] 最主流：广义相对论的进一步发展

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1446076.html

二、从实验出发寻找新的更好的引力理论

2.1 太阳系内的天体运动

检查太阳系各个行星、月球等运动对牛顿万有引力定律的偏差。

纽康（Simon Newcomb, 1835-03-12 ~ 1909-07-11, 74）、布朗（Ernest William Brown, 1866-11-29 ~ 1938-07-22, 71）等人已经做过了。

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1448446.html

现在应该重新检查对万有引力定律的偏差，从中寻找修改万有引力定律的实验依据。

2.2 地球的地质旋回与米兰科维奇理论（Milankovitch theory）

通过地球的地质记录等，反推地球公转、自转等长期的运动情况，再检查它们对牛顿万有引力定律的偏差。

以期进一步弥补上面太阳系天体运动短期资料的不足。

2.3 地球表层与地下的人工实验室测量

在地球表层或地下，以及地球无人区（地下恒温），或外太空其它天体等处，人工控制的相对纯净的实验环境下，进行“…通过系统的、明显的实验。... through systematic, palpable experimentation. ... durch planmässiges Tattonieren. （高斯）”，并以此得到更好的引力理论。

由于目前没有有效的“引力屏蔽”措施，所以，只能通过人工实验室地点等选择，尽力避开各种质量及其运动的干扰。

外太空的月球，目前是可考虑的候选实验室地点。

推荐阅读：

[1] 王鑫, 张慧琴, 孙昌璞. 用科学精神抵御学术滑向灰色地带[J]. 科学与社会, 2023, 13(01): 1-15.

doi: 10.19524/j.cnki.10-1009/g3.2023.01.001

http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=7109351460&from=Qikan_Search_Index

https://d.wanfangdata.com.cn/periodical/ChlQZXJpb2RpY2FsQ0hJTmV3UzIwMjMxMjI2EhFreGRzaGR5eDIwMjMwMTAwMRoIYXExNWdlODU%3D

https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=s8areCsbC9C-qok7lSNCRWdG-WzaGIe3bH2mjvHaxCQbsjU0jfxOkjtYl89XeputaxnYy7Rt-1fbcYCqOQ17vyfeMEkWvuvnIWt6OtUIXAxuplSwJo_N8jfGWwjuDwda_zwxX_De7oi9gWYNixbAEQ==&uniplatform=NZKPT&language=CHS

在物理学中，当实验物理学家知道了“理论”的预言结果，在某些情况下，他们处理实验数据时会产生主观倾向，导致实验以一种不那么令人信服的方式“验证”了理论。1956 年，李政道、杨振宁发现宇称不守恒并建立中微子二分量理论，预言μ 子到正负电子衰变的实验分支比是3/4。此前相关实验发现的分支比在一定范围内几乎是随机的。此后10 年，不同研究组的多次实验测量结果显示分支比稳定到3/4，而每一次实验的误差都落在前一个实验的误差范围内。这个事例告诉大家，单次实验观察不一定能完全独立于理论去无偏地验证理论预言，仅凭一次和少数几次实验检验理论的正确性是不可靠的，只有多次重复实验才能逼近理论描述的“客观实在”。

上述问题出现的深层次原因在于一些人不能正确地理解和处理理论与实验之间的关系，他们有意无意地忽略理论预言成立的条件，将理想模型当实际系统来处理。同时，他们不能客观地分析和使用实验数据，而是为了迎合严格的或不严格的“理论”，人为地处理实验数据。为了拟合已有的理论，置反证的实验数据于不顾。这些做法很有可能导致科学研究滑向灰色地带甚至堕入学术不端。正如本文作者之一孙昌璞在《物理学报》上发表文章[13] 所说：“一个好的理论-实验的结合工作，必须是双盲的、背靠背的，否则的话就会出现互相人为拟合趋同的科学诚信问题”。

[2] 中国科学院，2024-07-09，【中国科学报】孙昌璞院士：保护“有品味”的科学家，勿让劣币驱逐良币

http://www.ad.cas.cn/mtbd2022/202407/t20240711_5025075.html

孙昌璞指出，拥有良好科学品味的科研人员，如果坚持发表精品、不唯“帽子”，可能会遭遇一定的现实阻力，因为他们的研究方向和方法可能不符合潮流。他呼吁采取措施，通过新的科技治理体系优化科研软环境，避免“劣币驱逐良币”。

现实中，一个拥有良好科学品味的科研人员坚持发表精品、不唯“帽子”，可能会遇到一定阻力，因为他们的研究方向和方法可能不符合潮流。

我们希望能大力支持那些有品味的科研人员，让他们尽可能不参与内卷，同时有机会凭借独特视角做出革命性的创新成果，从而得到更多关注和支持。因此，优化学术环境、营造鼓励创新和长远研究的氛围显得尤为重要。

参考资料：

[1] 2022-01-20，相对论的天体测量检验/astrometric test of relativity/黄天衣，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=107747&Type=bkzyb&SubID=150497

广义相对论并不是当今存在的唯一引力理论。一方面是因为实验和观测还不能对理论做出最后的选择，也来自物理理论本身发展的需求。暗物质和暗能量的理论解释，量子引力理论的发展，都使得物理学家认为广义相对论不是最后的引力理论。高精度天体测量是检验引力理论的主要手段。

相对论等引力理论的理论基础是等效原理。它可以分成3个层次，从低到高为：弱等效原理（Weak Equivalence Principle，WEP），爱因斯坦等效原理（Einstein Equivalence Principle，EEP），强等效原理（Strong Equivalence Principle，SEP）。

SEP则将WEP和EEP中的试验体推广到自引力不能忽略的物体，将非引力实验扩展为所有的实验。

WEP和EEP已经有相当坚实的实验验证。主要是地面和空间的物理实验，其中也有一些是天体测量实验。

广义相对论通过了所有的天体测量实验验证，主要在太阳系内。大部分情况下，只是对弱场的1阶后牛顿近似进行了一些验证，需要进一步提高精度，并且通向强场相对论效应的验证。

[2] 2023-06-04，水星近日点进动问题/problem of the advance of Mercury’s perihelion/童傅，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=72442&Type=bkzyb&SubID=87321

但是，这里仍存在两个问题：首先，根据牛顿定律，水星近日点应有每世纪 Δω_N = 5557.62 角秒的进动，其中的 90％是由坐标系的岁差引起，其余的部分是由其他行星，特别是金星、地球和木星的摄动引起的；而实际观测值为 Δω_N = 5600.73 角秒，二者相减得每世纪 43.11 角秒。因此，岁差常数的任何微小变动，如有万分之一的变动，都会直接影响到对广义相对论的验证，而这种变化是完全可能的。其次，影响水星近日点进动的因素很多，任何一个微小的因素，如太阳的扁率，对它都有直接影响。因此，这个问题尚需继续研究。

[3] 2022-01-20，引力理论/theory of gravitation/邹振隆，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=147030&Type=bkzyb&SubID=87375

为解决这些问题不断有人提出其他的引力理论。这些理论大体可以分为两类：一类是平直空间中满足洛伦兹协变的引力理论，一类是弯曲空间中的度规型引力理论。经过多方面的检验，除了极个别的例外，所有这些理论都一个一个地被淘汰了。然而，以局部惯性系的存在为前提的引力规范理论却引起了广泛的注意。

[4] 2022-01-20，修改的引力理论/modified gravitationed theory；alternative gravitationed theory/蔡一夫，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=179829&Type=bkzyb&SubID=87497

超出爱因斯坦广义相对论的描述引力现象的一类物理模型。又称另类引力理论（alternative gravitationed theory）。

其中，代表性的理论有以基于刻画时空曲率的里奇标量所提出的F(R)理论和引入时空挠率而构建的F(T)理论等。

此外，修改的引力理论亦可在不引入暗能量的情况下来解释当前的宇宙加速膨胀。

[5] 2022-12-23，旋回/cycle/范若颖，龚一鸣，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=390653&Type=bkzyb&SubID=175631

地层学和沉积学中表示具有重现性或周期性沉积记录的术语，包含描述性和解释性的双重含义。

[6] 2023-05-12，米兰科维奇理论/milankovitch theory/鹿化煜，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=480966&Type=bkzyb&SubID=78211

10万年周期问题

偏心率调控的太阳辐射量变化很小，但是，在很多地质记录中，约10万年的偏心率周期信号却很强，尤其是在约120万年以来明显超出了地轴倾斜度和岁差的周期信号。学术界对10万年周期背后的驱动力和在中更新世气候变化的主周期从4万年转变成10万年的原因展开了研究。

关于10万年周期的解释主要有以下几个观点：①地球系统对偏心率调节的岁差变化的响应；②对地轴倾斜度变化的捆绑式响应；③对岁差和地轴倾斜度的联合响应，此外还有可能是系统内部的自振荡现象。

关于气候变化的主周期为何会在80万～120万年期间发生转型，主流的观点认为中更新世转型是大气CO²浓度的降低，全球变冷背景下的系统内部反馈作用发生变化造成的，尤其是冰反馈作用，一方面当冰盖累积到一定程度，产生“过剩冰”（excess ice），

[7] 科学网，2021-06-17，当测试广义相对论时，微小建模误差能快速累积

https://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2021/10/202110111018314267031.shtm

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)00545-9

https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S2589-0042%2821%2900545-9

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2589004221005459

英国伯明翰大学研究人员表示，当物理学家将多个引力波事件（如黑洞碰撞）结合起来测试爱因斯坦广义相对论时，小的建模误差积累可能会比之前预期的得更快。相关论文6月16日刊登于Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience（《交叉科学》）。研究结果表明，如果一个目录中有10到30个事件，而信噪比为20（这对于此类测试中使用的事件来说很典型），就可能产生偏离广义相对论的误导，错误地指向根本不存在的新物理现象。因为这接近于目前用来评估爱因斯坦理论的目录的大小，作者认为物理学家在进行这样的实验时应该谨慎。

[7-2] Christopher J. Moore, Eliot Finch, Riccardo Buscicchio, Davide Gerosa. Testing general relativity with gravitational-wave catalogs: The insidious nature of waveform systematics. iScience, 2021, 24(6): 102577.

doi: 10.1016/j.isci.2021.102577

June 16, 2021

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)00545-9

https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S2589-0042%2821%2900545-9

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2589004221005459

[8] 杨正瓴. 科学发展周期性的研究概况[J]. 科技导报, 2014, 32(35): 88-88.

http://www.kjdb.org/CN/Y2014/V32/I35/88

[9] 2024-05-21，地球表层/earth surface; epigeosphere/蔡运龙，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=449366&Type=bkzyb&SubID=269337

地球系统中近地面的大气圈、水圈、岩石层（圈）、生物圈、人类圈之间相互交叠、相互作用构成的环境-生物-人类综合体。

广义的地球表层厚度上限为对流层顶部，下限为岩石层上部沉积岩层，厚度30～35千米；