经典物理定律无法解释的天文学之谜——水星的运动轨道
经典物理定律无法解释的天文学之谜——水星的运动轨道
水星轨道近日点进动是19世纪天文学的一大谜题，它挑战了牛顿的经典万有引力理论。直到爱因斯坦的广义相对论出现，这一困扰科学家们多年的难题才得以完美解释。
直到 19 世纪中叶，牛顿的经典万有引力定律完美地解释了所有行星的运动。根据天体力学的计算，海王星于 1846 年被发现。它的位置与计算结果完全吻合。但最大的谜团是水星。
1859 年，水星轨道的异常移动被发现。或者说是它的近日点 和天文学家的计算结果与水星的表面位置存在差异。原来，水星拉长轨道的旋转角速度约为每 100 地球年 500″（角秒）。也就是说，水星在其位移处的近日点旋转一圈需要 26 万年。
起初，天文学家们试图反复核对太阳系行星对水星运动的影响。但是，所有情况下的差异都是每世纪约 43″。这已经超出了计算和观测的误差范围。
当时的科学界开始提出各种解释，并出现了一些假说来解释水星运动的变化。逻辑学认为，在太阳和水星之间有另一颗行星，它对水星的运动有影响。由于它靠近太阳，我们看不到它。它甚至被命名为 "火神"。
据当时估计，这个天体比水星离太阳近三倍，其轨道周期为 19 天 7 小时。谷神星的直径约为 2000 公里。同时，如果我们假设谷神星的密度接近水星，那么它的质量只有水星质量的 1/17。但从计算结果来看，质量如此小的天体显然不可能导致观测到的水星近日点偏移。因此，人们推测与太阳运行轨道接近的谷神星并不是唯一的小行星。这组天体被称为谷神星。于是搜寻工作开始了。
几十年来，人们一直在寻找谷神星。无论是在日食期间，还是通过观察太阳黑子。一颗撞向太阳的彗星甚至一度被误认为是火神星。
另一种假设认为水星上存在一颗卫星，但这一假设没有得到观测结果的证实。他们认为，水星近日点的偏移可以用水星轨道内存在大量散乱质量的积累来解释。但这样一来，这些质量就会发光，无法在如此接近太阳的轨道上长期存在。洛伦兹、维恩、庞加莱、佐尔纳等主要物理学家都曾研究过这个问题。
还有人解释说，太阳系中行星的质量被低估了。但天体力学却能很好地计算出其他行星的运动，并计算出它们的质量。唯一不符合的是水星的运动。
提出的解释是，太阳两极变平，这种变形对水星运动的影响比理想球的形状更大。对太阳的观测并未证实这一点。
数学家假设，在太阳附近，空间具有非欧几里得几何形状，存在扭曲和异常。但这一切都还停留在假设层面。没有数学计算。
到 19 世纪末，太阳系内部的其他行星也被发现有近日点偏移。这些数字只是误差，但也可以证实这里出了问题，牛顿定律被违反了。
人们试图调整经典万有引力定律，以适应可见的异常现象。他们甚至建议在万有引力定律中不仅引入天体质量的依赖性，而且引入天体速度的依赖性。水星的运行速度太快了。行星轨道的平均速度是每秒 48 千米（远日点时每秒 38.7 千米，近日点时每秒 56.6 千米）。
物理学家和数学家沃尔特-里茨曾提出过一种 "弹道理论"。在这个模型中，引力相互作用是由假想的粒子进行的，正如该理论的作者所认为的那样，这些粒子也构成了所有的电磁现象。这几乎就像现代宇宙学中的暗物质。但这一模型并未得到发展。
爱因斯坦的广义相对论（GTR）问世后，水星问题迎刃而解。爱因斯坦在计算中将标量引力势转换为张量势。这使得描述非欧几里得时空几何成为可能。简而言之，结论如下：在大质量天体附近，时空几何不同于欧几里得，这导致行星运动偏离经典轨迹。
爱因斯坦的计算结果与观测到的水星近日点偏移几乎完全吻合--每世纪 43″。但也有人对 OTO 提出了批评。一些科学家认为爱因斯坦的计算只是巧合，与观测结果不符。
内太阳系的其他行星也有近日点偏差。金星每百年偏离 8.6″，地球偏离 3.8″，火星偏离 1.35″。这一理论后来在对快速旋转的双星和脉冲星的观测中得到了验证，双星和脉冲星的轨道偏移非常大，每年高达 17 度。
如今，水星近日点偏移的理论依据仍然是对GR的主要证实。或者简单地说：太阳附近的空间是弯曲的，以至于我们的发光体附近的时间也会以不同的方式流动，从而使行星发生偏移。