水星轨道之谜：从牛顿定律到广义相对论的突破
水星轨道之谜：从牛顿定律到广义相对论的突破
水星轨道近日点的进动异常是19世纪天文学的重大谜题之一。从1859年首次发现这一异常现象开始，天文学家们提出了各种假设来解释这一现象，包括假设太阳系内存在未知行星、水星拥有卫星等。然而，直到爱因斯坦的广义相对论出现，这一困扰天文学界长达半个多世纪的难题才得以完美解决。
1859年，天文学家发现水星轨道存在异常移动，具体表现为水星近日点的进动与计算结果存在每世纪43角秒的差异。这一发现震惊了当时的科学界，因为根据牛顿的经典万有引力定律，所有其他行星的运动轨迹都能得到完美解释。
起初，天文学家试图通过重新计算太阳系内其他行星对水星的影响来解释这一差异，但所有计算结果都显示存在无法解释的43角秒偏差。这一偏差超出了计算和观测误差的范围，显然需要新的理论来解释。
各种假设的提出与验证
面对这一谜题，科学界提出了多种假设：
- 假设存在未知行星：有人推测在太阳和水星之间可能存在一颗未被发现的行星，这颗行星被命名为“火神星”。据估计，这颗天体距离太阳约为水星的三分之一，轨道周期为19天7小时，直径约2000公里。然而，经过几十年的搜寻，包括在日食期间和通过观察太阳黑子，均未发现这颗假设中的行星。
水星拥有卫星：这一假设很快被观测结果否定。
轨道内存在散乱质量：这一假设同样存在问题，因为这些质量会发光，且无法在如此接近太阳的轨道上长期存在。
太阳系内行星质量被低估：但这一假设无法解释为什么只有水星的运动出现异常。
太阳形状的变形：观测结果并未证实太阳两极存在显著变平的现象。
空间几何形状的假设：数学家提出在太阳附近空间可能具有非欧几里得几何形状，但这一假设缺乏数学计算的支持。
广义相对论的突破
到19世纪末，科学家们意识到这一现象可能意味着牛顿定律的失效。有人尝试修改万有引力定律，甚至提出引入天体速度依赖性的新理论。物理学家沃尔特-里茨提出的“弹道理论”也未能获得发展。
最终，爱因斯坦的广义相对论为这一谜题提供了完美解答。根据广义相对论，在大质量天体附近，时空几何会发生扭曲，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角秒。
这一发现不仅解决了水星轨道进动的难题，也为广义相对论提供了重要验证。后续对金星、地球、火星等内太阳系行星的观测，以及对快速旋转的双星和脉冲星的观测，进一步证实了广义相对论的正确性。
如今，水星近日点偏移的理论解释已成为广义相对论的重要证据之一，证明了在大质量天体附近，时空确实会发生弯曲，影响行星的运动轨迹。