基本介紹
- 中文名：水星近日點進動問題
- 主要依據：牛頓定律
- 研究對象：水星
- 提出者：勒威耶
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進動原因
天文測量發現水星在升交點D的公轉周期與降交點G的公轉周期不一樣。經分析是水星軌道繞太陽逆時鐘轉動，不封閉。
如果讓觀測者跟隨水星軌道逆時鐘轉動，則觀測到的水星軌道“封閉”不進動，觀測到的升交點和降交點則順時鐘轉動，D1G1一個水星周期後成了D2G2。那么我們觀測到升交點D點的周期實際為水星從D1出發到D2的時間，降交交點G點的周期實際為水星從G1到G2的時間。這樣就正好解釋了兩個點周期不相等的原因。
水星近日點進動問題
根據牛頓萬有引力定律計算的水星近日點進動值與觀測值的分歧。1859年﹐法國天文學家勒威耶發現水星近日點進動的觀測值﹐比根據牛頓定律算得的理論值每世紀快38"﹐並猜測這可能是一個比水星更靠近太陽的水內行星吸引所致。可是經過多年的辛勤搜尋﹐這顆猜測中的行星始終毫無蹤影。紐康測定這個值為每世紀 43"。他提出﹐這可能是那些發出黃道光的瀰漫物質的阻尼所造成的。但是﹐這種假設又不能解釋其他幾顆行星的運動。於是紐康就懷疑萬有引力定律中的平方反比規律有問題。為了能同時解釋幾顆內行星的實際運動﹐紐康求出了引力應與距離的2.1574次方成反比。十九世紀末﹐電磁理論發展的早期﹐韋伯﹑黎曼等人也都曾試圖用電磁理論來解釋水星近日點的進動問題﹐但均未能得出滿意的結果。
1916年﹐愛因斯坦發表了著名的廣義相對論﹐成功地解釋了這個問題。根據廣義相對論﹐行星公轉一圈後近日點進動為﹕
相應公式式中c 為光速﹐T ﹑a ﹑e 分別為軌道周期﹑半長徑和偏心率。對於水星﹐此值與牛頓萬有引力定律所得的差值為每世紀43.03秒。這與觀測值十分接近﹐成為天文學對廣義相對論的最有力的驗證之一。
但是，這裡仍存在兩個問題：首先，根據牛頓定律，水星近日點應有每世紀ΔωN=5,557.62角秒的進動,其中的90%是由坐標系的歲差（見歲差和章動）引起，其餘的部分是由其他行星，特別是金星、地球和木星的攝動引起的；而實際觀測值為 ΔωO=5,600.73角秒,二者相減得每世紀 43.11角秒。因此，歲差常數的任何微小變動，如有萬分之一的變動，都會直接影響到對廣義相對論的驗證，而這種變化是完全可能的。其次，影響水星近日點進動的因素很多，任何一個微小的因素，例如太陽的扁率，對它都有直接影響。因此，這個問題尚需繼續研究。
關於水星的公轉和自轉問題
公轉
水星的運行軌道是偏心的，半徑從 4 600 萬公里到 7 000 萬公里變化。圍繞太陽的緩慢歲差不能完全地被牛頓經典力學所解釋，以致於在一段時間內很多人用構想的另外一個更靠近太陽的行星(有時被稱為火神星)來解釋這個混亂。這稱為“水星近日點進動”。然而，愛因斯坦的廣義相對論後來提供了一種可以消除這個小誤差的解釋。
自轉
1889年義大利天文學家夏帕里利經過多年觀測認為水星自轉時間和公轉時間都是88天。直到1965年，美國天文學家才測量出了水星自轉的精確周期58.646天。 在一些時候，在水星的表面上的一些地方，在同一個水星日裡，當一個觀測者(在太陽升起時)時觀測，可以看見太陽先上升，然後倒退最後落下，然後再一次的上升。這是因為大約四天的近日點周期，水星軌道速度完全地等於它的自轉速度，以致於太陽的視運動停止，在近日點時，水星的軌道速度超過自轉速度；因此，太陽看起來會逆行性運動，在近日點後的四天，太陽恢復正常的視運動。
成果
直到1965年使用雷達觀測後，觀察數據否決了水星對太陽是潮汐固定的的想法：自轉使得所有時間裡水星保持相同的一面對著太陽。水星軌速振諧為3:2 ,這就是說自轉三次的時間是圍繞太陽公轉兩次的時間；水星的軌道離心使這個諧振持穩。最初天文學家認為它有被固定的潮汐是因為水星處於最好的觀測位置，它總是在 3:2 諧振中的相同時刻，展現出相同的一面，就如同它完全地被固定住一樣。水星的自轉比地球緩慢 59 倍。
因為水星的 3:2 的軌速比率， 一個恆星日 (自轉的周期) 大約是58.7個地球日，一個太陽日(太陽穿越兩次子午線之間的時間)大約是176個地球日。
