就如同人类步入老年后越来越没力,美国太空总署(NASA)现在证实了太阳随着年纪增长在损失质量,对行星的控制力道也减弱了,证据来自水星轨道发生变化,几个世纪下来稍微往外扩大了点(当然这种变化于我们而言相当微不足道)。
水星是最靠近太阳的行星,对太阳的质量与引力变化最敏感,科学家一直在观察这个行星的运动路径,并绘制水星的星历表(ephemeris),纪录了水星多个世纪以来的近日点及远日点位置变化。
提到水星轨道的变化之前,必须先提到重力场的历史观。
爱因斯坦诞生前,世界以牛顿力学为信仰,因此当水星的实际轨迹与牛顿动力学预测的有偏差时,科学家将水星近日点的反常特殊轨道称为岁差现象,对其感到困惑。牛顿认为这种摆动是某颗介于水星和太阳间的未知星球引力所造成,而这颗假想行星在 1859 由当时最伟大的天文学家之一 Urbain Le Verrier(注)“证实”存在,命名为火神(Vulcan)。
但伟大的物理学家爱因斯坦在发表相对论后打破了这个神话,推翻牛顿的绝对时间观。
1915 年,爱因斯坦发表的一系列论文给予广义相对论最初的形式,他首先注意到称为(弱)等效原理的实验事实,也可以理解为,当除了重力之外不受其他力作用时,所有质量够小(即其本身的质量小到对重力场的影响可以忽略)的测验物体,在同一重力场会以同样的方式运动。
既然如此,不妨认为重力其实并不是一种“力”,而是一种时空效应,即物体的质量能导致时空弯曲,重力源对测验物体的重力正是这种时空弯曲造成的几何效应。这时,所有的测验物体在这个弯曲时空中惯性运动,其运动轨迹正是该弯曲时空的测地线,它们都遵守测地线方程式。
简单说,爱因斯坦用广义相对论完美解释了水星近日点的反常运动,是因为受到太阳巨大质量造成的时空弯曲所影响,其他科学家不得不心悦诚服的接受这个理论。
广义相对论中,还有另一个极为渺小的因素也可能影响水星的岁差现象:太阳扁率,现在 NASA 与麻省理工学院组成的团队透过精确计算扁率的变化,证实水星轨道已往外扩大了点。
▲ 科学家确定水星轨道发生了微妙变化。(Source:NASA)
团队的研究数据来自已撞击水星表面的信使号(MESSENGER),这是人类第一颗成功近距离探测水星的探测卫星,多达 7 年的数据让研究人员足以确定太阳如何失去质量、失去的质量如何导致行星轨道扩大,这也是第一次有关太阳质量损失的实验观测论文发表。
信使号的数据证实爱因斯坦是对的,不过也许有天科学家又会找到一个与理论略有不同的地方,就像爱因斯坦当年推翻牛顿一样推翻这位天才。当然这件事还没有发生。
另外,这种微小的轨道变化影响相当微不足道,大概就是地球轨道每年扩展不到 1 英寸那样不足一提,但这些变化对监测太阳本身可能是非常有用的讯息,越来越多的观测数据可让理论更坚实。这篇论文发表在《自然通讯》期刊。
注:Urbain Jean Joseph Le Verrier,法国数学家、天文学家,是他计算出海王星的轨道、位置、大小,然后请柏林天文台的伽勒寻找这颗未知行星。1846 年 9 月 23 日,伽勒只花了一个小时,就在离 Le Verrier 预言位置偏差不到 1 度的地方发现一颗新行星,即海王星。那一年,Le Verrier 仅 35 岁。
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(首图来源:NASA)