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没有爱因斯坦 就没有太阳系
2015-12-18 00:43:17  出处:知道日报   编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接

一个世纪前,出现了一个大问题,以致于动用了一个爱因斯坦才得以解决。

“借鉴昨日,活在当下,憧憬明天。重要的是不要停止发问。”

——阿尔伯特·爱因斯坦

没有爱因斯坦 就没有太阳系

数千年来,纵观人类历史,九大行星与月亮就是我们对变幻莫测的宇宙仅有的认知。

恒星与银河夜复一夜、年复一年总是同样的面貌,或者说改变得太少又太慢,以致于人类从不曾对它们留意。

细心的人会发现,行星的运动并非随意为之,而是有迹可循,分为顺行与逆行。

没有爱因斯坦 就没有太阳系

解释它们在天空中的运动轨迹主要有两种方法:

1、地心说,即这些行星以地球为中心运动。

2、日心说,即这些行星以太阳为中心运动,而地球只是这些行星中的一员。

将近两千年间,大行其道的都是前者。在16世纪哥白尼提出后者后,伽利略、开普勒的研究都有力地支持了日心说,最终由艾萨克·牛顿完成了日心说一统江湖之大业。

没有爱因斯坦 就没有太阳系

牛顿的突破是最伟大的,因为他不仅描述了这些行星的表现——围绕太阳呈椭圆轨道运动——还赋予了这种表现以新机制:万有引力定律。这一引力定律不仅适用于地球,还适用于所有的天体。

它解释了为什么卫星要围绕母星运转,为什么彗星能反复出现且常被其他行星干扰,为什么地球上有潮汐,以及为什么行星之间不会互相干扰。

万有引力定律还解释了一些更微妙的现象,一些后人很久之后才注意到的现象。

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如果宇宙只包含两个质点:太阳和一颗行星,那么这颗行星的轨道将是完美的椭圆形,它每绕太阳转完一周都会回到起点。

然而在牛顿力学框架下,太阳系中存在着诸多质量体,这一椭圆会进动或在其自身轨道上发生轮转。在19世纪中期,天王星的轨道偏差引出了海王星的发现即是因为海王星的引力作用使天王星发生了摄动。

然而,在太阳系内部,距离太阳最近的水星也存在类似的问题。

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藉由16世纪以来具体和准确的观测(这还要归功于第谷·布拉赫),我们得以测量出水星的近日点是如何进动的,算得的数值是慢到不可思议的每世纪5600角秒:一百年才1.5度多!其中5025角秒来自地球的昼夜平分点,532角秒来自牛顿引力。

可是问题来了:5025+532不等于5600,虽然近似5600却少了相当一部分。那么,为什么?

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自然,解释有好几种:

1、或许数据有误。毕竟小于百分之一的错误好像也没什么值得恐慌的。然而错误小于0.2%意味着数据是可信的。

2、或许有行星比水星更接近太阳。这一解释是由预言了海王星存在的奥本·勒维耶提出来的。然而经过彻底的搜索,并没有找到其他星体。

3、或许牛顿力学定律需要微调。平方反比定律可能不够精确,r2中2的精度不是2.0,而是2.0000000几。这一解释的提出人是西蒙·纽康姆和阿萨夫·霍尔。

然而这些解释都无法令人满意。

没有爱因斯坦 就没有太阳系

直到爱因斯坦在庞加莱和闵可夫斯基研究的基础上将时间和空间统一为一个整体,于1915年11月25日发布了广义相对论,以公式解出水星每百年进动为43”,才终于对前人的观测做出了解释。

天文与物理界掀起了轩然大波。此后不到两个月,卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,预言了黑洞的存在。之后,星光的偏移与引力红/蓝移在观测中被证实。最后,1919年的日全食证实了广义相对论的正确性,广义相对论取代了牛顿引力定律。

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自那时起,广义相对论中的种种预言,从引力透镜、惯性系拖曳效应到轨道衰减及其他都一一被证实了。观测从没有一次与理论相冲突。

一个世纪后,更先进的观察手段和对太阳系的更深入了解将水星近日点进动的精度提高到每百年百分之一角秒,理论与观测前沿面临的不确定性还在继续。

下一个世纪,会有哪些新的发现和新的可能性?我们拭目以待。

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