水星軌道異常,經典力學無法解釋,愛因斯坦出手完美解決

兩天前我寫了《計算出來的行星--海王星》一文。在該文中說到由於海王星是人類利用牛頓經典力學計算出來的,因此這一成就直接將牛頓萬有引力定律推向了頂峰。但這一喜悅並沒有持續多久,僅僅十幾年後,牛頓力學便再一次面臨了挑戰。這一次,是水星出問題了。

水星軌道異常,經典力學無法解釋,愛因斯坦出手完美解決

水星 來自網絡

水星的軌道並不是一個標準的圓,而是有一定的軌道偏心率。同時它也不是一個完全封閉的橢圓。由於其他行星特別是金星、地球、火星、木星等的影響,每轉一圈它的長軸也會有一定的變化。這個長軸的變化,就被稱作水星進動。法國天文學家勒維烈,也就是上文中計算出海王星的那位偉大的天文學家發現,實際測得的水星進動速率是每一百年1度33角分20角秒,但考慮了太陽系中所有影響因素後根據牛頓萬有引力定律計算出的結果卻是1度32角分37角秒。雖然每一百年才差了43角秒,但這已經是不允許忽略的問題了。

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水星進動示意圖 來自網絡

由於之前海王星的發現像一個傳奇一般震撼了許多人,因此,這一次沒有多少人懷疑牛頓力學的權威性了。人們提出了諸多的假說,諸如星際物質等等,但都有一些不完善的地方,不能完全合理的解答這個問題。影響最大的猜想是“火神星”猜想。

“火神星”猜想是指水星軌道以內可能還存在另一顆未被發現的新行星。正是由於這顆行星的存在,使得水星進動的測量值與理論值不符。甚至還有人進行了詳細地計算和觀測。不過這一次勒維烈沒有那麼幸運了。從那之後的近百年,人們始終沒有找到火神星。這個問題也就成了未解之謎了。包括後來電磁理論發展起來後,人們曾試圖利用電磁理論來解決這一問題,但也沒能成功。直到愛因斯坦的出現。

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時空彎曲示意圖 想象一下向重物旁邊扔一個小球,小球怎樣繞重物運動?

1916年,愛因斯坦的廣義相對論橫空出世,成功解決了這個困擾人類近百年的問題。在廣義相對論中,愛因斯坦認為物體可以使周圍的時空彎曲。而水星由於距離太陽近一些,因此受太陽所產生的彎曲空間的影響是最大的。水星由於其公轉軌道是橢圓形的,因此在近日點與遠日點受到的影響是有區別的。這種情況用語言不是很好描述,大家把一個柔軟平面想象成一個二維空間,把重物壓在上面發生凹陷想象成空間彎曲,這時如果向重物側面附近扔一個小球,小球會呈橢圓形繞重物運動,並且其軌線的軸也在緩慢變化。

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該動圖最直觀地展現了這種進動現象 來自網絡

受本人知識限制,就不給大家上公式了,要不自己也無法解釋就貽笑大方了。總之根據廣義相對論計算出的結果與牛頓萬有引力計算出的每百年差值為43.03秒!!!與觀測結果比較可以說十分吻合。這也反之成為了廣義相對論一個有力的佐證。


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