第二节  水星进动

    水星轨道是太阳系内行星中最靠近太阳的，距离太阳0.39 AU，其质量约等于6个月球，可是它的轨道的偏心率在所有行星中却是最大的。它有一个特别明显的运动，就是每绕太阳公转1圈后水星的速度都要快一点。也就是在相同的水星年周期内，水星在轨道上的位置前移一点，天文学称之为“水星近日点进动”。如果画出轨道则是一个美丽的图案（图4-2）。水星进动现象是法国天文学家勒威烈于1845年发现的，当时根据他按牛顿力学计算出的水星进动的数值和实际观测的数值相比较，水星每百年多进动35〞的差值找不到原因，后来经过纽康的重新计算确认为，实际水星进动每百年超差43″。

                图4-2水星进动示意图

    爱因斯坦认为：按着经典力学的理论，水星环绕太阳的运动应该是闭合的椭圆，而在弯曲的空间中水星的椭圆轨道却不是闭合的，近日点进动这个现象表现了空间的弯曲，爱因斯坦用空间弯曲理论计算出水星进动的数据恰为43″，所以人们才认为水星近日点进动是广义相对论最不可思议的铁证！

    其实，这是人们对经典力学的误解，经典力学并没有错，在理想的状态下，水星的轨道的确应该为闭合的椭圆。而在真实的水星运行的轨道上，并不是处在理想的状态之下。在距离太阳较近的区域，并不是纯粹的真空状态，还有另外的一些力交织在其中，水星自然会受到干扰而不在一个闭合的轨道里运动。

这里首先要重申一个老概念。我们都熟悉能量守恒定律，对于每一个具体的物质运动过程来说，能量守恒定律是有条件的，只有在孤立的物质系统中能量才是守恒的。然而在自然界的条件下孤立的物质系统是不存在的，所以人们总结出永动机是不可能存在的。

    但是当人们抬头仰望宇宙的时候便忘记了这个结论，认为天体的运动就是标准的永动机，地球和其他行星绕日运动可以永恒不变。如果在茫茫宇宙之中只有太阳和水星两个质点，宇宙之中是绝对的真空，在这个孤立的理想的条件下，水星运动的轨道应该是闭合的。在这种情况下具备永动机的条件，水星绕日运动永恒不变。然而现实中水星绕日运动的条件远远不同于理想的状态，水星运动受到的干扰是不可避免的，其干扰的综合结果表现为水星的近日点产生进动。

    关于水星进动问题由来已久，问题也并不像相对论说的那么简单，所以也不必着急为水星的进动下结论，还是了解所有与进动有关的现象和原因再下结论更为科学。其实进动现象并非水星特有，而是天体运行中普遍存在的现象，不但太阳系所有行星存在，连行星的卫星，如月球、土卫、木卫等，连人造卫星也存在着进动的现象。但是表面现象相同并不等于起因完全一样，这就是事物的复杂性。我们现在已经知道水星的进动与月球的进动从表面上看虽然都是进动，而实质却是水星进动的结果是运动轨道的降低，而月球进动的结果是其轨道的升高，而人造卫星的进动原因又不同于水星和月球。对于行星的进动，我们除了用摄动理论分析之外，并不知道还有什么因素影响进动。怎么可能用相对论的一个空间弯曲的理由将所有进动原因一网打尽呢？所以要对太阳系所有天体的进动状态进行全面了解、分析、分类，在系统地分析各类进动产生的原因之后才能作出归纳和总结。

    图4-3是水星凌日、进动和地球岁差的示意图。水星凌日，是水星进入地球与太阳之间，观察者从天文望远镜上刚好观察到水星进入太阳表面边缘的现象。恒星年，是地球在公转轨道上两次经过同一恒星的时间，长度为365.25636d。回归年，是地球在公转轨道上两次经过春分点的时间，长度365.24220d。岁差是因为地球自转轴在缓缓的进动（按地球自转的反方向），进动的结果是产生二分点的左移的现象，结果造成恒星年与回归年的时间差，每个回归年比恒星年短20min 24s 599ms。

            图4-3   水星凌日、进动和地球岁差

    当年纽康是根据水星凌日的数据而计算出的水星进动的数值，在地球上观测到的数值与地球的轨道数据有关，因为地球本身岁差的原因，所以造成我们地球在绕日的轨道上的“二分点”移动。每百年春分点西移5,029″，合每年滞后（按运动方向）50.29″。由于在地球上观察水星的时间点随着春分点向左移动（可视为滞动），可以视为每回归年地球在运动的轨道上滞动50.29″，在这种情况下观察到的水星运动的现象则是进动，所以要从水星进动的总的观测值（地球百年）5,600.73″中减去地球岁差的5,029″，余额571.73″为其水星的本身的进动（地球百年）。根据计算由于其他行星综合摄动而产生的进动为528.62″，则571.73－528.62＝43.11″，还余有43.11″的进动查不出原因。问题就出现在这个超差值上，1859年勒威烈认为在水星和太阳之间可能还存在一颗没有被发现的行星，水星进动是它所引起的摄动所造成的。可是经过多次的日食观测并没有发现新的行星，一时水星进动的超差问题成为天文学难题。尽管相对论用空间弯曲解释的数值与水星进动超差的数值相等，难道除了行星的摄动可以影响水星的进动之外，就没有其他任何因素影响水星进动吗？显然是不可能的。我们从水星运动的环境里随便找两个因素看看：

（1）太阳风因素。太阳源源不断地向四面八方抛射出带电的粒子流，太阳风携带着大量的粒子一直吹到太阳系的边缘。在地球附近仍能测出太阳风的速度为450km/s，每立方厘米平均含有1～10个质子，可见在水星轨道的环境中太阳风的强度远远高于此值。严格说来，只有在绝对的真空的条件下才没有阻力，可见在近日轨道上并不是绝对的真空条件，又有高速运动的太阳风。因此水星在以47.9km/s的高速通过含有稀薄物质的空间时，应该消耗能量，尽管这个能量级别很小，日久天长也会影响水星的运动状态。

（2）光压的因素。光照射在物体上，把动量传递给物体，表现为光压，这个光压与光的动量密度、物体表面反射系数和入射角有关。据记载光压是1748年由欧拉首先发现的，人们观测慧星在运动过程中，慧尾都是背离太阳的现象被认为是光压存在的证明。还记得在上中学时老师拿着一个抽成真空的玻璃容器中，有一个用针尖顶起的带有黑白两个叶片可以转动的悬体。当用阳光照射时叶片就转动起来，叫人感觉是那样的神奇，人们想象着如果宇宙飞船张着巨大的太阳帆，用光的能量推动着光子火箭飞向宇宙的深处。当然光压相当小，以致人在阳光下曝晒也感觉不到光压的存在。据测定在地球表面上阳光垂直照射下每平方米获得4.7×10^－6N的压力，如此计算来每平方公里则受到4.7N压力，而地球距太阳的距离是水星距太阳的距离的2.57倍，水星获得的光压是地球的6.6倍，光压值将达到31N／km²。已知水星的半径约2,440km，其迎光面约为18,703,786km²，其光压将达到5.79×10⁸N，尽管这约5.79亿N的光压（未考虑入射角）对于质量约为3.33×10²⁶g的水星来说量值相比能量小些，但是这个力已经对水星的运动产生作用。

举这两个因素的目的只不过是为了说明水星并不是运动于绝对的理想状态，也不像相对论解释得那么简单，除了摄动和空间弯曲之外就没有什么了。从上面的例子也可以看出天体的运动也不是免费的午餐，仅仅微小的光压就可以累积成巨大的能量，谁知道还存不存在着比光压还大得多的未知力呢？解释水星进动就是要找出所有能影响水星进动的力，不可以用空间弯曲一言以蔽之。总之，进动的问题肯定还有未知之源，只是现在并没有到水尽源出之际，在这个时刻不需要迷信，只要勇于探索，一定会踏出一条解决进动问题的新路。

进动现象的实质是天体的运动速度发生了变化，这和频率发生变化时的相位发生变化是同一个道理，比如我们用示波器观察振荡器的波形时，由于振荡器不稳定，频率发生微小变化时，我们虽然看不到频率变化，却可以看到相位在发生变化。

    相同的是，当天体的轨道速度在微微变快时，在相同的时间周期内天体多运行了一段距离，从一个外在的环境看这种现象就叫进动。水星本身进动每公转1圈才多运动1.377〞的弧长，每百水星年多运动约0.038 ^o的弧长，大约94.11万水星年水星才进动1周（水星年＝87.97d地球时间），大约合水星公转一圈才进动8s。

    水星进动当年曾视为牛顿力学战胜笛卡儿漩涡论错误的证据，现在又被视为爱因斯坦相对论战胜牛顿经典力学的证据，将来．．．．．．

    我相信随着时光的推移肯定还会有新的发现，对水星的进动还要重新解释。总之，水星进动的问题到现在谁也没有说清楚。