太阳系：你要这么说，八大行星都不绕太阳转！
「把简单的现象考虑得很复杂 ， 可以发现新领域 。 把复杂的现象看得很简单 ， 可以发现新规律 。 ——牛顿」
撰文 | 孙正凡
责编 | 吕浩然
最近看到一篇编译自NASA的科普文章 ， 题为《没想到吧 ， 太阳系的这个行星根本不绕太阳转》（以下简称“文章”） ， 其中“爆料”说：虽然教科书告诉我们 ， 太阳系的八大行星围绕着太阳旋转 ， 但其实木星是唯一就不绕着太阳转 ， 而是绕着太空中的一个看不见的点旋转 。
可是你知道吗？虽然这篇文章出自NASA ， 可它其实弄错了一个基本事实 。 这事儿说来有趣 ， 值得好好聊一聊 。
本文插图
“地球非得围你转 ， 你是太阳啊？”图片来源：截自央视1998年春晚小品《拜年》
到底错哪了？
文章的解释看起来也挺合理 ， 其中应用了二体圆周运动的共同质量中心（barycenter）概念 。 所谓二体问题 ， 就是两个天体在引力作用下相互绕转（读者朋友可能更熟悉“三体问题” ， 即三个天体相互绕转 ， 形成无序状态） 。 文章中计算的是它们在围着对方做匀速圆周运动的情形 。 在中学物理课上 ， 我们已经对这种情形计算过几百遍了 。
【太阳系：你要这么说，八大行星都不绕太阳转！】在“圆形轨道假设”这种情况下 ， 行星和太阳之间的距离是不变的 ， 根据它们的距离计算共同质心（下图中“O”的位置） ， 也就是这个系统里的稳定不变的那一点 。 注意 ， 所谓共同质心 ， 是指在只考虑行星和太阳这两个天体在圆周上相互绕转的情况下 ， 不仅仅是只有行星围绕这个中心转动 ， 连太阳也在围绕这个不动的中心转动 。
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在这样“圆形轨道假设”的条件下 ， 根据上图中的公式 ， 带入行星、太阳的质量和轨道（平均）半径数据 ， 结果是：八大行星中 ， 有七个由于行星质量相对于太阳来说实在太小了 ， 这个共同质心总是位于太阳表面之内 ， 即r1小于m1的半径 ， “视觉上”可以视为太阳基本不动 ， 最多扭一扭腰而已 。 但唯独对于木星来说情况不是这样的：木星是太阳系里质量最大的行星 ， 其质量比其他所有行星的总和要大一倍还多 ， 大约是太阳质量的千分之一 。 所以 ， 对于“木星-太阳”这个二体系统的共同质心 ， 距太阳中心的距离大约是太阳半径的1.07倍 ， 也就是在太阳表面之外 ， 大约4.8万千米 。
至此 ， 文章正式揭露了这个“骗局”：太阳并不像教科书上告诉我们的是太阳系的中心 ， 起码对于木星这颗行星来 ， 它（和太阳）是绕着太空里一个看不见的点旋转的 ， 并不是在绕着太阳转 。 这篇文章还被改编成了视频 ， 在朋友圈里传播也非常广泛 。
以上解释从理论上来看没有太大问题 ， 但实际上从“开头”就错了！
而这个开头错就错在那个“圆形轨道假设”上 ， 真实情况是：八大行星的轨道都不是圆形的 ， 而是椭圆的 。 而且通过计算 ， 不止木星 ， 其实八大行星都“根本不绕太阳转”！
“连月亮都叛变了”
其实没必要责怪中学物理课上的“误导” ， 毕竟我们初学物理的时候 ， 很多为了方便理解和计算 ， 都采用了理想的状态和条件 ， 例如光滑无摩擦的平面、滑轮 ， 没有质量却异常“坚固”的小绳等等 。 上述提到的圆形轨道亦是如此 。
事实上 ， 德国天文学家开普勒（Johannes Kepler ， 1571-1630）在400年前就告诉我们 ， 行星围绕太阳运动的轨道是椭圆形的 ， 太阳在其中一个焦点上 。 这就这意味着太阳并不在椭圆轨道的正中心（椭圆长轴和短轴的交点）上 。 那么 ， 会不会因为太阳直径非常大 ， 这个正中心就像前面说的 ， 也位于太阳内部呢？对于这个问题 ， 我们就需要查一下数据了 。
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