5.行星进动问题.docx

行星进动问题

1915年爱因斯坦在《用广义相对论解释水星近日点运动》计算了水星近日点的剩余进动.（注1:郭亦玲，沈慧君：物理学史，北京，清华大学出版社，1993.229-231）.这等于说，勒维利埃的38角秒是计算错了，纽康经过重新计算的每百年快43角秒是正确的.这就使得广义相对论成了科学明珠.其实勒维利埃的38角秒也是正确的，因为:法国天文学家勒威耶的计算值是38″.3/百年，他是根据发生在1677～1848的171年间的15次水星凌日计算的，其间还参考了近400次巴黎天文台的水星中天时刻.美国天文学家纽康的计算值是43″.37/百年，他是根据发生在1861～1894的33年间的6次水星凌日计算的.如何对待这两个不同的数据呢?不同的观念的对待方法不同：静态观念认为两者只能有一个是正确的，由于纽康值符合广义相对论的计算值，于是都认为43″/百年是正确的，而勒威耶的计算有误.其实勒威耶的计算是可靠的，他依据15次水星凌日和近400次水星中天的观测资料，这些天文事实，是可靠的，他的计算也不会出错，因为海王星就是他"计算"出来的.那么，纽康值错了吗?他仅6次水星凌日来计算，可靠吗?可靠!这两个不同的数字并不矛盾?它说明在1677～1848的171年间水星近日点进动是38角秒/百年，在1861～1894的33年间是43″.37/百年.这说水星轨道是在不断演化的过程中.如恩克彗星的轨道也是在不断演化的过程中:发现于1786年的恩克彗星，柏林天文台台长恩克，用了毕生精力，不厌其繁地消除了摄动影响，计算了它的轨道能量变化，结果发现该彗星的公转周期在不断缩短，轨道能量在不断减小:每公转一周，周期要缩短3小时.恩克死后，后人继续他的研究，发现周期缩短值并非固定不变的，而是在不断减小:由3小时变为2小时、再变为1小时.(《科学技术百科全书》6天文学北京科学出版社198177).在不同的年代恩克彗星的轨道处在不同的状态.地球轨道也是在不断演化的过程中:在火星上有3个和飞机上所使用的非常相似的无线电应答器.这些应答器分别装载在"海盗"1号着陆器、"海盗"2号着陆器以及"火星探路者"探测器上.由此美国宇航局深空探测网可以测量着陆器和地球之间的距离.在分析了大量的观测数据之后，天文学家发现天文单位正在以每世纪7米的速度增长.这说明在不同的年代地球的轨道处在不同的状态.广义相对论是对称理论，它认为天体轨道是固定不变的，每百年43角秒就只能是每百年43角秒，就不能是每百年38角秒.

天王星近日点进动的实测值却比广义相对论的计算值大1565倍，近日点进动就是椭圆长轴绕焦点(太阳)转动，于是椭圆上的每一个点都在进动，自1781到1845的64年间，天王星的位置偏离了理论位置120角秒/64年，（文献都记载的是天王星偏离理论位置2角分），有人认为这一定是一个未知行星的摄动力使得天王星的运行产生了进动.于是勒威耶就以这120角秒为依据来计算未知行星的位置和质量等等.1846年，果然在勒威耶计算的位置偏离52角分的地方发现了一个新的行星，这就是太阳系的第八大行星即海王星.但是它的质量只有勒威耶计算值的一半多一点(即实际质量只有0.62计算质量).天文学家们按海王星的实际质量和位置代入摄动方程，求出海王星对天王星的摄动力只能使天王星在1781到1845的64年间获得118角秒的进动，还有2角秒的进动找不到力学原因^[4]，可称之为反常进动(或简称为进动)：2角秒/64(年)＝0.0313角秒/年＝3.13角秒/百年.按广义相对论的进动公式ω=24π³α²/c²T²(1-e²)(1)，其中a是轨道长半轴，T是公转周期，e是轨道偏心率，ω是天体每转一周的进动的弧度值，还应化为角秒.这样可以计算出:天王星近日点进动值是:0″.002/百年.天王星近日点进动的实测值3.13角秒/百年比广义相对论的计算值0″.002/百年大1565倍.

在爱因斯坦考虑太阳引力场时，曾把太阳的引力场看成一个球对称的引力场，但这只是一个近似，由于太阳25天自转一周，使其引力场并非完全成球对称分布，这种影响的结果相当于一个扁球场所产生的引力场，我们把这种效应称为自转引起的日扁率.1966年美国的迪克和格尔顿伯格观测的日扁率是5.0±0.7×10，根据这个结果预计，在水星43″的进动效应中，将有8%即3″的贡献来自于日扁率效率，这也就是说，若将日扁率的实际观测计算在内，由广义相对论所计算出来的结果就会和实际观测结果有3弧秒的偏离，如再考虑介质阻尼，岁差常数误差等的影响，其误差可能达到5角秒/百年左右.

水星进动是受弱相互作用的结果.在太阳系内，类地行星绕日运动的轨道半径变化均很小，轨道具有近圆性，加速度变化幅度较小，轨道上引力场场强基本不变化.加之类地行星体积较小，密度较大，所以，多数类地行星受弱相互作用的影响极弱，基本可以忽略不计.事实上，现有的天体力学结论正是在γ_o=0，K=1，F=0的基础上推得的.但是，类地行星中，水星的运动轨道最扁，离心率e最大，距日最近，又处在太阳的稀薄大气层内运动，引力场场强，最容易受到弱相互作用的明显影响，尤其在近日点附近运动时更是如此.由于太阳引力场场强会随太阳活动而变化，所以水星受到的弱相互作用也会随水星运动及太阳活动的变化而变化.这种变化着的、较大的弱相互作用削弱了太阳引力，使得水星公转周期变化，轨道半径伸缩.而轨道半径和绕日周期的变化，就可形成水星的进动.