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水星轨道运动的问题和爱因斯坦的广义相对论

时间:2023-07-04 理论教育 版权反馈
【摘要】:有一个问题一直困扰着天文学家:水星是离太阳最近的行星,其轨道与牛顿的等式并不完全相符。每个轨道上的近日点并不固定,因为根据牛顿的预测,行星之间也互有引力,近日点也会缓慢绕地球运动,这种轨道的转动被称为岁差。水星的岁差率总是比牛顿推测的大一点,虽然差距不大,但却不能忽视。1916年,爱因斯坦开始用刚刚提出的广义相对论来研究这个问题,并向大家证明他的引力论能够完美预测水星的轨道运动。

水星轨道运动的问题和爱因斯坦的广义相对论

天文学在验证广义相对论中扮演了另一个角色。有一个问题一直困扰着天文学家:水星是离太阳最近的行星,其轨道牛顿的等式并不完全相符。

另一个是谁?

相传,关于亚瑟·爱丁顿还有一个故事。在一次授课中,有人说世界上只有三个人能明白广义相对论,爱丁顿就是其中的一个。爱丁顿迟疑了一会儿后回答:“我在想谁是第三个人。”

行星沿椭圆轨道绕太阳运动。1609年,开普勒宣告了这一现象,50年后,牛顿对这一现象给出了解释。既然轨道是椭圆的,这上面必然有一个点距离太阳最近(天文学家将这个点称为近日点)。每个轨道上的近日点并不固定,因为根据牛顿的预测,行星之间也互有引力,近日点也会缓慢绕地球运动,这种轨道的转动被称为岁差。

问题就在于牛顿可以解释所有行星的岁差,唯独水星不行。水星的岁差率总是比牛顿推测的大一点,虽然差距不大,但却不能忽视。

1911年圣诞夜,爱因斯坦写道:(www.xing528.com)

星图

“此时此刻,我又开始思考相对论与引力定律的联系……我希望能够解决一直悬而未决的水星近日点长度问题……但到现在还没有头绪。”

天文学家们一直在为水星的奇怪运行寻求解释,也许水星与太阳之间有一个小行星群,也有可能是一个未发现的行星,水星绕轨道旋转时,这个行星就拖在水星上。类似的解释还有很多,只不过没有一个能解决所有的问题。但这些解释的共同点就是它们都认为牛顿的引力定律是对的。

1916年,爱因斯坦开始用刚刚提出的广义相对论来研究这个问题,并向大家证明他的引力论能够完美预测水星的轨道运动。之前出现差异的原因就在于时空弯曲与太阳质量太接近。后来,他的计算结果确实与天文学家的观测吻合。证明自己后,爱因斯坦非常兴奋,他写道:“即便过去了很多天,我也还是情不自禁地感到兴奋。”

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