行星轨道进动是咋回事？两大引力理论的角逐改变我们对宇宙的理解
李论科学2019-08-15 18:46
我们都听说过水星轨道的进动问题是牛顿引力理论挥之不去的一朵乌云，那么你知道行星轨道进动是咋回事？其实牛顿的引力理论也可以预测出了光线在重力场中会发生弯曲，那么它是怎样在与新引力理论的角逐中落败的？以及1919年的日食是如何改变我们对宇宙的理解。
牛顿物理学对海王星存在的成功预测
在19世纪，牛顿的引力理论和整体时空框架不仅解释了地球上所有物体的加速运动，而且还解释了所有已知行星的运动轨道。也对17世纪80年代才被发现天王星做出了一个令人难以置信的大胆预测。
下图中如果你把牛顿的万有引力定律应用到天王星上，你会得到一个非常具体的预测，那就是天王星在其轨道所有的点上应该如何运动。
以当时的观测手段人们发现水星、金星、地球、火星、木星和土星都完美地遵循了牛顿的预测，但是到19世纪中叶，天王星已经被观测了60多年，如果把牛顿的引力理论放到天王星上就发现有些不对劲了。
根据牛顿的引力理论，开普勒的三大定律可以推导出来：
行星以太阳为焦点，沿椭圆轨道运动行星沿椭圆轨道运行的速度会发生改变，在相同的时间内扫过的区域（面积）是相等的行星轨道周期的平方与其轨道长半轴的立方成正比(对于圆轨道而言，是半径的立方)。虽然第一定律和第三定律适用于天王星，但第二定律却不适用！
上图可以看出天王星在近日轨道比最初的预测速度要快很多，然后减慢到预期的速度，又进一步减慢到低于预测速度。这似乎与牛顿的理论相悖，在天王星的轨道上不应该有这么快和这么慢的速度！
上图：蓝色表示海王星，绿色表示天王星，木星和土星分别用青色和橙色表示。
以当时的理论基础，没有人敢质疑牛顿理论会不会出问题了！所以天文学家就意识到，如果在天王星的外部轨道有另一颗还未被发现的巨大行星拽着它的话，天王星轨道速度的异常现象就可以得到解释。
当这颗未知行星在它的轨道上领先于天王星时，这就会导致天王星加速，当它们大致对齐(上图中间)时，天王星会以预期的速度移动，当它落后于天王星时，就会导致天王星在其轨道上减速。
1846年，天文学家成功的在预测的位置发现了海王星，这似乎意味着牛顿引力理论的又一次伟大的胜利。但是好景不长，当我们的观测手段得到改善时，我们发现以前认为完美符合牛顿理论的水星轨道却出现了一些小问题！
水星轨道的进动问题
对水星近日点进动的计算实际上主要是根据牛顿定律进行，结果是每世纪=5,557.62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 =5,600.73角秒﹐二者相减得每世纪 43.11角秒。
上图就是行星轨道的进动！其实所有的行星轨道都有一点进动，这意味着当行星围绕太阳公转时，行星轨道的路径时不一样的（上图可以清晰地看到地球的轨道进动）。太阳系其他行星的轨道进动通过牛顿物理学都可以得到解释，就是唯独水星的轨道每世纪会比预测值多出43.11角秒，这一点牛顿物理学始终无法解释，也困扰了人们几十年。
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。
那么为什么水星的轨道会以多出预测值43.11角秒的速度进动？当时人们就提出了三个替代的假设：
水星内部还有一颗行星，导致了近日点的进动，又想上演一次海王星的传奇！牛顿引力定律需要稍加修改；也许不是1/r^2，而是1/r^(2 + )，最后这个（2+）被确定在2.1574牛顿引力需要用更完整的引力理论来取代。当然，根据以往经验和前车之鉴，并且处于对牛顿物理学的捍卫，人们更愿意选择第一种可能！甚至当时在没有发现这颗行星之前已经把名字起好了，称为：火神。
上图：假设存在于太阳和水星之间的行星：火神。
但是，在对太阳附近的新行星进行了一番彻底的搜索之后，没有发现任何行星的踪迹。水星的预测轨道和不断改进的观测结果之间的微小差异，已经开始让一些人感觉到牛顿万有引力定律可能是错误的。
牛顿说质量和距离是决定引力大小的因素。这是一种称之为“远距离作用”的力量，能够瞬间吸引一切物质和瞬间消失。但是从1909年到1916年，一种新的理论诞生了。
新引力理论的诞生不仅解决了水星轨道问题，还提出了一个当时可观测的伟大预测
伴随新引力理论诞生的还有：光电效应，狭义相对论，和E=mc^2，这些理论的每一个都刷新了人们对世界本质的认识。
新的引力理论认为：引力不是由于质量引起的“远距离作用”，而是说空间也时一种物质，也参与者所有物质的运动，物质和能量的存在会导致空间弯曲，并导致一切，甚至是无质量的东西，在我们所看到的引力作用下弯曲和变形。
新的引力理论不仅解决了水星进动问题，还做出了一下两个简单的预测：
解释了牛顿引力没有解释的每世纪额外的43角秒。作为一个解释引力简单的解决方案，它还预测了黑洞的存在。并且也预测了当时的科技水平可测试的事情：光会被重力弯曲。
新引力理论的提出当时也不被人们接受，牛顿的支持者说，这没什么大不了的，不就是光线能弯曲嘛？如果我取E=mc^2，我知道光有能量，我可以用E/c^2代替牛顿方程中的“质量”，可以得到同样的预测，牛顿的引力也会使光发生弯曲。但是牛顿和爱因斯坦的预测是一样的吗?
对牛顿引力理论和新引力理论的验证
离我们最近最大的引力源也就是太阳的边缘，爱因斯坦预测的光线弯曲度为牛顿弯曲的两倍。对我们来说，日全食算是“经常”能看到的天文现象，在全食发生的那一刻，我们会遇到一种非常罕见的现象：在白天就可以看到星星。
在1918年6月8日的日食期间人们对两种引力的预测首次进行了观察，当时云层阻碍了美国海军天文台进行的关键测量，所以第一次并没有得到实际的验证结果。因此，当下一次发生日食的时候，也就是1919年的5月29日所有人都做好了充足的准备。
1919年5月29日，剑桥天文台主任阿瑟·爱丁顿爵士率领一支探险队前往非洲观察日全食，并协调另一支探险队前往巴西索布拉尔进行类似的观测。当目标恒星靠近太阳时，爱丁顿着手绘制恒星的位置图，并观察太阳是如何弯曲光线的。观测的结果会与爱因斯坦还是牛顿的预测相吻合？还是太阳根本不会使星光弯曲?
1919年埃丁顿探险队的真实底片和正片
当观测结果出来后，结果证明爱因斯坦的预测是正确的，不会发生光弯曲和牛顿理论关于光弯曲的预测都被排除了。随后的日食和其他测试更进一步发现了牛顿引力和爱因斯坦引力之间的差异，广义相对论在每种情况下都取得了胜利。事实上，早在一张1900年日食的存档照片中我们就能看出，这也与爱因斯坦的预测相吻合。所以理论上，我们甚至可以更早地验证相对论！真实那个时候还没出现这个理论。
但是1919年的这一天，我们对宇宙的认识永远发生了改变。六个月后，当所有的数据分析完成时，爱因斯坦及其相对论在国际新闻界大放异彩。
纽约时报，1919年11月10日(左);《伦敦新闻画报》，1919年11月22日(右)。
回顾爱因斯坦的每一个预测都经过了严格的检验，从引力透镜效应到双星脉冲星轨道衰变，再到引力场中的时间膨胀无疑都证实了广义相对论是有史以来最成功的物理理论。
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