:广义相对论是怎样解决水星额外进动的问题?( 二 )


但同时也要考虑行星质量的影响 。
:广义相对论是怎样解决水星额外进动的问题?
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每一颗行星都会对另一颗行星的运动产生不同的影响 , 这取决于它的相对距离、质量、轨道邻近程度 , 以及它是在该行星的内部还是外部 。水星是最内层的行星 , 可以说是最容易计算的行星:所有的行星都在水星的外围 , 因此外围的行星都会使水星的近日点提前 。以下是这些行星的影响 , 其重要性依次递减:金星每世纪277.9” 。木星:每世纪153.6” 。地球:每世纪90.0” 。土星:每世纪7.3” 。火星:每世纪2.5” 。天王星:每世纪0.14” 。海王星:每世纪0.04” 。
还有其他的影响 , 比如小行星和柯伊伯带天体的影响 , 以及太阳和行星的扁率(非球形) , 每世纪0.01"或更少 , 因此可以忽略不计 。
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总而言之 , 这些影响加起来是每世纪水星的近日点会前进532" , 如果我们把地球进动的影响加进去 , 就得到每世纪前进5557" 。但是我们观察到的是:水星近日点以每世纪5600"速度在前进 。
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实际的进动要比牛顿预测的要大 , 那么这是为什么呢?
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第一个考虑解决的想法是水星内部还存在一颗未知的行星 , 它的公转速度较快 , 可以通过引力的影响给水星产生额外的推力 , 或者太阳的日冕非常巨大;这两种情况都可能会产生所需的额外引力效应 。但是太阳的日冕并不大 , 也没有所谓的火神星!
第二个想法来自于西蒙·纽科姆和阿萨·霍尔 , 他们认为 , 如果我们把牛顿引力平方反比定律替换成另一个定律 , 即引力与距离的2.0000001612次方成反比 , 就可以解释水星的额外进动问题 。言外之意就是牛顿错了 , 正如我们今天所知道的 , 如果修改牛顿的引力方程 , 将会打乱月球 , 金星和地球的轨道 , 所以这是不可能的 。
第三个想法来自亨利·庞加莱 , 他指出 , 如果我们考虑到爱因斯坦的狭义相对论(水星平均以48公里/秒的速度绕太阳运行 , 或者是光速的0.016%)就会得到部分(但不是全部)缺失的进动 。
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正是将第二种和第三种思想结合在一起才产生了广义相对论 。时空这个概念来自爱因斯坦的一位老师赫尔曼·闵可夫斯基 , 当庞加莱把这个概念应用到水星轨道的问题上时 , 朝着解决这个问题的方向就迈出了重要的一步 。纽科姆和霍尔的观点虽然不正确 , 但它表明 , 如果引力比牛顿关于水星轨道的预测更强 , 就可以解释水星的异常进动问题 。
当然 , 爱因斯坦的伟大想法是 , 物质/能量的存在会导致空间发生弯曲 , 当一个物体离一个质量非常大物体越近的时候 , 引力就表现得越强 。而且与牛顿引力理论预测的偏差也越大 。
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也就是说 , 在大质量物体附近 , 或者强引力面前 , 物体所感受到的引力要比牛顿理论预测的要大 。这就解释了为什么牛顿理论可以成功的解释其他行星的运动 , 偏偏到了水星这里却不行 。因为水星离太阳最近 。在爱因斯坦的引力理论弥补了水星的额外进动以后 , 还做出了一个非凡的预测 。


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