:广义相对论是怎样解决水星额外进动的问题?

“对我来说 , 世界上再也没有比科学进步更崇高的荣誉了 。”——艾萨克·牛顿
牛顿引力理论统御了人类宇宙观近两个世纪 , 天上地下没有一件事不是牛顿不能解决的 。但却在水星上栽了跟头 。
现在我们知道 , 爱因斯坦的广义相对论已经凌驾于牛顿理论之上 , 因为如果我们利用牛顿定律 , 水星轨道的进动就会存在每世纪难以抹平的微小偏差 , 那么广义相对论是如何解决这个问题的?大多数时候我们会略过这个问题 , 但今天我们就详细说下 , 广义相对论到底比牛顿引力强在哪里?
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上图我们可以看到 , 在太阳系中每一颗行星都在绕太阳公转 。更确切的说 , 行星的公转轨道并不是一个完美的圆 , 而是一个椭圆 , 开普勒在牛顿之前的一个世纪就已经发现了这一点 。在内太阳系中 , 地球和金星的轨道非常接近圆形 , 但水星和火星的轨道看起来就更加偏椭圆一些 , 它们在轨道上离太阳最近的距离和最远的距离相差十分大 。
尤其是水星的远日点(离太阳最远的点)比近日点(离太阳最近的点)的距离大46% , 而地球只相差3.4% 。这足以看出什么叫近圆形 , 什么叫椭圆形 。
至于行星的轨道为何不同 , 这个引力没有关系 , 也就是说跟离太阳远近无关 , 仅仅是因为在行星形成时候的条件导致了特定的轨道 。
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如果开普勒定律在太阳系中是绝对完美的 , 那么一颗绕太阳公转的行星将会回到是一个完美的闭合椭圆 , 也就是说行星在一个位置开始公转 , 转一圈又回到了起始的位置 。也就是说 , 当地球在近日点开始公转 , 那么一年后地球将会再次准确的回到近日点 。地球在太空中的位置相对于太阳和前一年是完全一样的 。
但是我们知道 , 开普勒定律只是数学上是完美的 , 它的完美只适用于没有质量的质点 。但太阳系不仅有质量 , 而且还有众多的天体在轨道上干扰一个行星的运行 。
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一个行星在绕太阳运行的同时 , 周围还有其他大型的天体 , 包括:行星、卫星、小行星等等 。另外行星和太阳都有质量 , 这意味着行星本身不是在绕太阳中心运行 , 而是绕行星/太阳系统的质量中心运行 。最后 , 我们地球的自转会绕轴进动 , 这意味着我们的回归年(季节和日历)和恒星年(地球公转360°)是有区别的 。也就是说春分点在不停的西移 , 回归年总是比恒星年少了20分24秒 , 这就是岁差 。
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如果我们想预测另一颗行星的轨道会随着时间发生多大的变化 , 我们就必须考虑以上所有的因素 。
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首先 , 恒星年和回归年之间的差别很小 , 但很重要:恒星年比回归年长20分24秒 。这意味着 , 当我们说季节、分点和至点时 , 这是在日历年的基础上发生的 , 但地球的近日点相对于这些节气有轻微的变化 。一个圆是360度 , 那么从一年的1月1日到下一年的1月1日 , 地球其实在轨道上只转了359.98604度 , 这意味着(1度有60′(弧分) , 1弧分有60"(弧秒))由于地球岁差的问题 , 每一颗行星的近日点会以每世纪5025"的速度移动 。


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