弱场下的引力理论：牛顿-爱因斯坦的标准引力理论是否还适用？

引力是物理学中最基本和最重要的力之一，它描述了质量之间的相互吸引。自从牛顿在1687年提出了经典的万有引力定律，人类就开始了对引力的探索和理解。然而，牛顿的引力定律并不能完全解释一些现象，比如水星的近日点进动，以及光线在强引力场中的偏折。为了解决这些问题，爱因斯坦在1915年提出了广义相对论，这是一种基于时空弯曲来描述引力的理论。广义相对论不仅能够解释牛顿引力定律无法解释的现象，还预言了一些新的现象，比如引力波，黑洞和引力透镜等。

广义相对论被认为是目前最完善和最精确的引力理论，它已经通过了许多实验和观测的验证。然而，这并不意味着广义相对论是完美无缺的，它仍然存在一些难以解决的问题和挑战。例如，广义相对论与量子力学之间的不兼容性，以及宇宙加速膨胀和暗物质等未知现象的起源和本质等。因此，物理学家们一直在寻找更加普遍和完备的引力理论，也就是所谓的量子引力理论或者超越广义相对论的理论。

在寻找新的引力理论的过程中，一个重要的问题是如何检验和区分不同的理论。一种常用的方法是寻找那些广义相对论无法正确预测或者与实验数据不符合的情况，也就是所谓的异常或者偏差。这些异常或者偏差可能是新理论存在的线索或者证据。然而，在大多数情况下，广义相对论都能够非常好地符合实验数据，因此要找到异常或者偏差并不容易。一个可能的方向是探索那些极端或者未知的物理环境，比如高能量、高密度、高曲率、高速度等情况。这些情况下，广义相对论可能会失效或者出现奇异性。

除了上述极端情况外，还有一种看似平凡但实际上非常有趣和重要的情况，那就是低加速度或者弱场极限下的引力理论。低加速度或者弱场极限下的引力理论通常被认为是牛顿-爱因斯坦（NE）标准引力理论。NE标准引力理论是指在低加速度或者弱场极限下，广义相对论退化为牛顿引力定律，并且只有一个额外的修正项，即爱因斯坦的引力场方程的线性化近似。NE标准引力理论被认为是非常精确和可靠的，它能够解释大多数低加速度或者弱场极限下的引力现象，比如太阳系中的行星运动，地球上的重力实验，以及银河系中的恒星运动等。

然而，NE标准引力理论并不是唯一可能的低加速度或者弱场极限下的引力理论。事实上，存在一些超越广义相对论的理论，在低加速度或者弱场极限下，会产生与NE标准引力理论不同的结果。这些理论通常被称为改进牛顿-爱因斯坦（MNE）引力理论。MNE引力理论是指在低加速度或者弱场极限下，广义相对论不仅退化为牛顿引力定律，并且有多个额外的修正项，而不仅仅是爱因斯坦的引力场方程的线性化近似。

MNE引力理论可能是由于以下原因而产生的：广义相对论中存在一些额外的物理成分，比如标量场、矢量场、张量场等，它们会影响时空的几何和动力学。广义相对论中存在一些额外的物理效应，比如非最小耦合、非线性效应、高阶导数项等，它们会改变时空的性质和行为。广义相对论中存在一些额外的物理原理，比如对称性、规范不变性、量子化等，它们会约束时空的结构和演化。
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MNE引力理论在低加速度或者弱场极限下，会产生一些新的现象和效应，比如额外的引力常数、额外的引力势能、额外的引力波模式等。这些现象和效应可能会导致与NE标准引力理论不同的预测和观测结果。因此，通过比较MNE引力理论和NE标准引力理论在低加速度或者弱场极限下的表现，可以检验和区分不同的引力理论。

那么，在低加速度或者弱场极限下，牛顿-爱因斯坦的标准引力理论是否还适用呢？目前，这个问题还没有确定的答案。一方面，有一些实验和观测数据支持NE标准引力理论在低加速度或者弱场极限下是正确和有效的。例如，在太阳系中，NE标准引力理论能够非常精确地描述行星运动，并且与无线电测距、激光测距、卫星轨道等数据相符合。在地球上，NE标准引力理论能够非常精确地描述重力实验，并且与扭摆、重力梯度仪、原子干涉仪等数据相符合。在银河系中，NE标准引力理论能够非常精确地描述恒星运动，并且与恒星视差、恒星光谱、恒星光变等数据相符合。

另一方面，也有一些实验和观测数据显示NE标准引力理论在低加速度或者弱场极限下可能存在一些问题和不足。例如，在星系尺度上，NE标准引力理论无法解释星系旋转曲线的平坦性，以及星系团中的引力透镜效应等现象。为了解决这些问题，物理学家们提出了两种可能的方案：一种是假设存在一种看不见的物质，即暗物质，它会增加星系和星系团中的引力作用；另一种是假设NE标准引力理论在低加速度或者弱场极限下是不完整或者不正确的，需要被MNE引力理论所取代。目前，暗物质的假设还没有得到直接的实验证据，而MNE引力理论则有许多不同的版本和变体，比如改进牛顿动力学(MOND)、张量-矢量-标量理论、弱场极限广义相对论等。

最近一篇发表在《天体物理杂志》上的论文提出了一个令人惊讶的发现：在低加速度下，牛顿-爱因斯坦的标准引力理论可能会失效。这篇论文利用欧洲空间局发布的Gaia DR3数据库中的数据，对一类特殊的恒星系统——宽双星进行了详细的分析。

宽双星是指由两颗相距很远（通常超过1000天文单位）但相互引力绑定的恒星组成的系统。由于它们之间的距离很大，所以它们之间的引力加速度很小，一般小于10^-9米每秒平方。这样的系统可以作为检验引力理论在低加速度极限下是否有效的理想实验室。从Gaia DR3数据库中筛选出了26615个距离地球200秒差距以内、具有可靠距离、自行和恒星质量估计的宽双星样本，并对它们进行了统计分析。

然后，他利用一种蒙特卡罗方法，将观测到的宽双星在天球上投影的运动和分离转换为三维空间中相对于质心系的速度v和距离r，并计算了两个重要的物理量：引力加速度gN和运动加速度g。如果牛顿-爱因斯坦的标准引力理论成立，那么这两个加速度应该相等，即g=gN。

然而，他们发现，在低加速度下，这两个加速度之间并不相等，而是存在一个系统的偏差。他定义了一个重力异常参数δ，用来衡量观测到的加速度g和牛顿理论预测的加速度gN之间的差异。他发现，在gN约为10^-8.91和10^-10.15米每秒平方的两个区间，这个参数δ分别为0.034±0.007和0.109±0.013，这意味着观测到的加速度比理论预测的加速度要大出3.4%和10.9%，并且这个偏差具有10σ的显著性水平。这个结果表明，在低加速度下，牛顿-爱因斯坦的标准引力理论会出现破坏，也就是说，引力不再遵循平方反比定律。

当然，这并不意味着NE标准引力理论就是不正确的，因为它还面临着其他方面的挑战，比如存在未知的暗能量或暗流体，或者存在某种量子引力效应等。