牛頓無法抹平的水星額外進動問題,廣義相對論是如何解決的?

2020-11-29 李論科學

「對我來說,世界上再也沒有比科學進步更崇高的榮譽了。」——艾薩克·牛頓

牛頓引力理論統御了人類宇宙觀近兩個世紀,天上地下沒有一件事不是牛頓不能解決的。但卻在水星上栽了跟頭。

現在我們知道,愛因斯坦的廣義相對論已經凌駕於牛頓理論之上,因為如果我們利用牛頓定律,水星軌道的進動就會存在每世紀難以抹平的微小偏差,那麼廣義相對論是如何解決這個問題的?大多數時候我們會略過這個問題,但今天我們就詳細說下,廣義相對論到底比牛頓引力強在哪裡?

上圖我們可以看到,在太陽系中每一顆行星都在繞太陽公轉。更確切的說,行星的公轉軌道並不是一個完美的圓,而是一個橢圓,克卜勒在牛頓之前的一個世紀就已經發現了這一點。在內太陽系中,地球和金星的軌道非常接近圓形,但水星和火星的軌道看起來就更加偏橢圓一些,它們在軌道上離太陽最近的距離和最遠的距離相差十分大。

尤其是水星的遠日點(離太陽最遠的點)比近日點(離太陽最近的點)的距離大46%,而地球只相差3.4%。這足以看出什麼叫近圓形,什麼叫橢圓形。

至於行星的軌道為何不同,這個引力沒有關係,也就是說跟離太陽遠近無關,僅僅是因為在行星形成時候的條件導致了特定的軌道。

如果克卜勒定律在太陽系中是絕對完美的,那麼一顆繞太陽公轉的行星將會回到是一個完美的閉合橢圓,也就是說行星在一個位置開始公轉,轉一圈又回到了起始的位置。也就是說,當地球在近日點開始公轉,那麼一年後地球將會再次準確的回到近日點。地球在太空中的位置相對於太陽和前一年是完全一樣的。

但是我們知道,克卜勒定律只是數學上是完美的,它的完美只適用於沒有質量的質點。但太陽系不僅有質量,而且還有眾多的天體在軌道上幹擾一個行星的運行。

一個行星在繞太陽運行的同時,周圍還有其他大型的天體,包括:行星、衛星、小行星等等。另外行星和太陽都有質量,這意味著行星本身不是在繞太陽中心運行,而是繞行星/太陽系統的質量中心運行。最後,我們地球的自轉會繞軸進動,這意味著我們的回歸年(季節和日曆)和恆星年(地球公轉360°)是有區別的。也就是說春分點在不停的西移,回歸年總是比恆星年少了20分24秒,這就是歲差。

如果我們想預測另一顆行星的軌道會隨著時間發生多大的變化,我們就必須考慮以上所有的因素。

首先,恆星年和回歸年之間的差別很小,但很重要:恆星年比回歸年長20分24秒。這意味著,當我們說季節、分點和至點時,這是在日曆年的基礎上發生的,但地球的近日點相對於這些節氣有輕微的變化。一個圓是360度,那麼從一年的1月1日到下一年的1月1日,地球其實在軌道上只轉了359.98604度,這意味著(1度有60′(弧分),1弧分有60"(弧秒))由於地球歲差的問題,每一顆行星的近日點會以每世紀5025"的速度移動。

但同時也要考慮行星質量的影響。

每一顆行星都會對另一顆行星的運動產生不同的影響,這取決於它的相對距離、質量、軌道鄰近程度,以及它是在該行星的內部還是外部。水星是最內層的行星,可以說是最容易計算的行星:所有的行星都在水星的外圍,因此外圍的行星都會使水星的近日點提前。以下是這些行星的影響,其重要性依次遞減:

金星每世紀277.9」。木星:每世紀153.6」。地球:每世紀90.0」。土星:每世紀7.3」。火星:每世紀2.5」。天王星:每世紀0.14」。海王星:每世紀0.04」。還有其他的影響,比如小行星和柯伊伯帶天體的影響,以及太陽和行星的扁率(非球形),每世紀0.01"或更少,因此可以忽略不計。

總而言之,這些影響加起來是每世紀水星的近日點會前進532",如果我們把地球進動的影響加進去,就得到每世紀前進5557"。但是我們觀察到的是:水星近日點以每世紀5600"速度在前進。

實際的進動要比牛頓預測的要大,那麼這是為什麼呢?

第一個考慮解決的想法是水星內部還存在一顆未知的行星,它的公轉速度較快,可以通過引力的影響給水星產生額外的推力,或者太陽的日冕非常巨大;這兩種情況都可能會產生所需的額外引力效應。但是太陽的日冕並不大,也沒有所謂的火神星!

第二個想法來自於西蒙·紐科姆和阿薩·霍爾,他們認為,如果我們把牛頓引力平方反比定律替換成另一個定律,即引力與距離的2.0000001612次方成反比,就可以解釋水星的額外進動問題。言外之意就是牛頓錯了,正如我們今天所知道的,如果修改牛頓的引力方程,將會打亂月球,金星和地球的軌道,所以這是不可能的。

第三個想法來自亨利·龐加萊,他指出,如果我們考慮到愛因斯坦的狹義相對論(水星平均以48公裡/秒的速度繞太陽運行,或者是光速的0.016%)就會得到部分(但不是全部)缺失的進動。

正是將第二種和第三種思想結合在一起才產生了廣義相對論。時空這個概念來自愛因斯坦的一位老師赫爾曼·閔可夫斯基,當龐加萊把這個概念應用到水星軌道的問題上時,朝著解決這個問題的方向就邁出了重要的一步。紐科姆和霍爾的觀點雖然不正確,但它表明,如果引力比牛頓關於水星軌道的預測更強,就可以解釋水星的異常進動問題。

當然,愛因斯坦的偉大想法是,物質/能量的存在會導致空間發生彎曲,當一個物體離一個質量非常大物體越近的時候,引力就表現得越強。而且與牛頓引力理論預測的偏差也越大。

也就是說,在大質量物體附近,或者強引力面前,物體所感受到的引力要比牛頓理論預測的要大。這就解釋了為什麼牛頓理論可以成功的解釋其他行星的運動,偏偏到了水星這裡卻不行。因為水星離太陽最近。在愛因斯坦的引力理論彌補了水星的額外進動以後,還做出了一個非凡的預測。

那就是當光線經過一個大質量天體時,比如太陽,會發生彎曲,這一預言最後用來檢驗牛頓理論和愛因斯坦理論哪一個正確。

牛頓的理論預測,星光在經過太陽時根本不會偏轉,因為光沒有質量。但是如果我們根據愛因斯坦的E = mc^2給光分配一個質量,那麼根據牛頓的引力理論,光會偏轉0.87"。然而,愛因斯坦的理論給出了兩倍的偏轉:1.75"。

這些數字很小,差異也很小,但在1919年日食期間,阿瑟·愛丁頓和安德魯·克羅默林的聯合考察得出的光線偏轉是1.61"±0.30",這與愛因斯坦的預測在誤差範圍內是一致的,與牛頓的預測不一致。

這不僅是牛頓的萬有引力被取代的故事,也是牛頓的理論在什麼方面出現缺陷的故事。自那以後,廣義相對論取得了許多預測上的勝利,至今還沒有失敗過。

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    在解釋行星反常的軌道和死亡恆星運動的同時,廣義相對論還在與日常生活休戚相關的全球定位系統中發揮了作用。今天我們使用的廣義相對論,仍是其100年前被提出時的那個樣子,但它在許多不同的條件下依然非常有效。下面的6個例子,彰顯了愛因斯坦的廣義相對論是如何經受住實驗檢驗的。
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    牛頓的這條理論很好解釋了前輩們遺留下來的問題,並且能夠非常準確地描述天體的運動,還可以用來預測天體的位置。後來,有數學家僅僅利用牛頓的理論,通過紙和筆就找到了海王星。所以,牛頓的理論被學術界廣泛認可,並且他也成了科學史上的地位最崇高的科學家之一。
  • 為什麼說廣義相對論肯定不是終極引力理論?
    根據牛頓引力理論,控制天體運動的力和讓蘋果掉到地上的力都是引力。引力無處不在,只要物體有質量,它們之間就會產生引力作用。 牛頓引力理論的缺陷 雖然萬有引力定律在很多時候非常有效,它甚至還準確預言了海王星的存在,但卻無法完美解釋一種天文現象——水星軌道近日點的反常進動。
  • 愛因斯坦的廣義相對論到底講的什麼?如何通俗地理解?
    說白了,廣義相對論就是把引力解釋為時空彎曲的理論。牛頓的經典力學提出了萬有引力,但沒有指出萬有引力產生的原因,即為什麼會產生萬有引力!   而廣義相對論給出了答案,認為引力是有時空彎曲引起的,引力只是時空彎曲的一個表象,任何具有質量的物體都會對周圍時空產生影響
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  • 引力是如何產生的?
    引力是如何產生的,或者說引力的本質是什麼?目前科學界的主流觀點認為,引力的本質是時空彎曲,這一觀點來自愛因斯坦的廣義相對論,並且經過了非常多的天文觀測證實,還在理論上起到了很好的預測作用。現代物理學研究表明,牛頓的引力理論是廣義相對論的一種局域近似,它只適用於弱引力場環境。牛頓的引力理論對於預測天體運動已經很精確了,比如,天文學家利用萬有引力定律預言了海王星的存在。不過在解決某些問題時,卻遇到了困難,比如水星近日點進動問題。
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