水星的反常进动

    16世纪，波兰的哥白尼提出了“日心学说”，证明所有行星围绕太阳做圆周运动，17世纪，德国天文学家开普勒总结出行星运动的三大定律，1.行星的运动轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点。2.太阳到行星的连线在相等的时间内所扫过的面积相等。3. 轨道半长径的立方与公转周期的平方之比是固定的。行星运动为什么遵守这一规律呢？英国科学家牛顿深入地研究了开普勒定律之后，发现了万有引力定律：两物体间引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与两物体间距离的平方成反比。
    万有引力定律不仅能解决行星的运动规律，而且几乎能说明太阳系的各种运动，如潮汐现象，彗星的周期，卫星的运动，以及地轴的进动，后来，天文学家们还运用万有引力定律成功地预言并发现了海王星。万有引力定律的出现，正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。

水星近日点的反常进动：
    根据万有引力定律可以推出，行星围绕太阳运动的轨道是椭圆，行星之间也有引力，所以行星轨道并不是封闭的椭圆，而是椭圆长轴不断移动的一种复杂曲线运动，椭圆长轴的这种运动叫进动，九大行星近日点均有进动现象，其中水星近日点的进动非常明显。
1859年，法国天文学家勒威耶根据当时掌握的八大行星质量，计算了水星近日点的进动，发现水星近日点进动的观测值，比根据牛顿定律算得的理论值每世纪快38〃.3, 美国科学家纽康经过考察，最后得出水星近日点的反常进动为每世纪 43〃.37。
    什么原因造成水星近日点的反常进动呢？人们提出了各种猜想和假设。勒威耶曾提出可能是一个更靠近太阳的内行星吸引所致，可是经过多年的辛勤搜索，这颗猜测中的行星始终毫无踪影。 纽康提出，这可能是那些发出黄道光的弥漫物质的阻尼所造成的。但是，这种假设又不能解释其他几颗行星的运动。
1895年，赫尔为了解释行星运动中的反常行为而提出了一个假设，认为万有引力定律中的平方反比规律有问题。为了能同时解释几颗内行星的实际运动，求出了引力应与距离的2.0000001574次方成反比。纽康根据这种假说进一步求出了2.00000016120次方成反比。
    19世纪末，电磁理论发展的早期，韦伯、黎曼等人也都曾试图用电磁理论来解释水星近日点的进动问题，但均未能得出满意的结果。
    1916年，在德国《物理平论》第49卷上发表了物理学家爱因斯坦的著名论文《广义相对论原理》，成功地解释了这个问题。根据广义相对论，行星公转一圈后近日点进动为： 
  
式中c为光速，T、a、e分别为轨道周期、半长径和偏心率。对于水星，按此公式计算，所得的差值为每世纪43〃.89。这与观测值43〃.37符合得相当好。
    1947年，克莱门斯重新计算了水星近日点反常进行值为5599〃.74，由地轴进动产生的部分为5025〃.645，其它行星产生的部分为531〃.45，剩余的部分约为42〃.645，而广义相对（忽略扁平度）预期值为43〃.03，因此，成为广义相对论的最有力的科学验证之一。
探索还在继续
    尽管爱因斯坦的广义相对很好地说明了水星近日点的反常进动，但是，人们对这一验证提出了两点质疑：首先，根据牛顿定律，其中的90％是由地轴进动（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；而理论与实际观测值相差仅43角秒，如果岁差常数发生微小的变化，显然会影响进动值，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，例如太阳的扁率，也会对广义相对论的验证有直接的影响。因此，问题还未解决。 

原作：朱晔华　

http://www.wlsyw.com   整理：占礼葵　

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