地球繞太陽公轉,速度是否分秒不差?而公轉的軌道是橢圓的,是不是有個什麼力在幹擾?
克卜勒行星運動定律
大約在400年前,克卜勒就在天文學家第谷的觀察數據基礎上總結出了克卜勒行星三大定律,其中克卜勒第一定律是橢圓定律,指出行星軌道是橢圓的,太陽在橢圓的一個焦點上,這一點題目上說的是對的。
但克卜勒第二定律——面積定律指出,行星在橢圓軌道上與太陽連線在相同時間內掃過的面積相等。這表述有點繞,我們看圖吧:
在這個圖中,F是太陽,A-B、C-D、E-K就是相同時間內行星公轉時經過的距離,而扇形ABF、CDF、EKF就是行星在橢圓軌道上與太陽連線在相同時間內掃過的面積。因此根據克卜勒第二定律,A(ABF)=A(CDF)=A(EKF)。
從圖中可以很容易看到,AB、CD、EK這三段弧的長度是不一樣的,但根據克卜勒第二定律,行星經過這三段弧的時間又是相同的,那麼只能得出一個結論,行星經過這三段弧的時候的速度是不一樣的。行星離太陽越近,公轉的速度會越快,反之行星離太陽越遠,則公轉速度越慢。
什麼力拉著地球轉?
因此,對於繞橢圓軌道的地球,每時每刻的公轉速度都是不一樣的,從近日點轉向遠日點過程中是由快轉慢,而由遠日點轉向近日點的過程中則是由慢轉快。所以題目前面的問題就根本不是問題了。不過我們倒是可以討論一下後面的問題:是什麼力引起地球這種公轉運動?
這個問題最早由近代物理學之父英國物理學家艾薩克·牛頓給與了解答,他認為行星運動是由彼此間的引力造成的。根據小學語文書的記載,當時牛頓的腦袋被樹上掉下來的蘋果砸了一下,頓時腦洞大開,領悟了萬有引力的奧秘……
由於加入了嚴謹的數學,牛頓的萬有引力理論很成功,在近兩百年的時間裡解釋甚至預言了太陽系行星的運動,在奧本·勒維耶和約翰·柯西·亞當斯分別根據觀察數據和萬有引力理論計算出海王星位置時,萬有引力理論達到了巔峰。
詭異的進動
但很快,隨著水星近日點異常進動的發現,觀測結果與理論計算不符,牛頓的萬有引力理論無法完美解釋這一現象。(水星是距離太陽最近的行星,其橢圓軌道的偏心率極高,達到0.2,近日點和遠日點距離分別是4600萬公裡和6981.7萬公裡,水星在近日點是發生超出牛頓理論預言的進動。所謂近日點進動,就是每次經過近日點時的位置都往前挪了一點。)
愛因斯坦與彎曲的空間
最終解釋這一問題的是愛因斯坦的廣義相對論。愛因斯坦比較厲害,他不用被蘋果砸,單憑一個思想實驗就領悟了引力的奧秘。關於這個思想實驗具體是什麼有不同的傳說,有跳樓版,有電梯版,有火箭版,反正蠻穿越的,總之最後領悟了等效原理就對了。
在等效原理下,彎曲的時空呼之欲出了,但要取代牛頓的萬有引力理論,數學公式是必不可少的。但愛因斯坦的數學沒有牛頓那麼NB,他搞了8年才把數學方程搞定,結果一算水星軌道進動,計算結果灰常符合觀測值,問題解決。愛因斯坦在廣義相對論裡,用空間的彎曲代替了引力,行星在彎曲的空間裡沿測地線運動,類似於平直空間裡沿直線運動。但當我們用平直空間的視角看彎曲空間裡行星的運動時,就會誤以為它被一個無形的力(引力)拽住做圓周運動。在彎曲空間裡不需要這個力,也就是在廣義相對論的彎曲空間裡,並不存在引力。