給天文學家出難題的行星——水星（I）

離太陽最近，離地球第三近的行星——水星，我們對它的了解在太陽系行星中即便不是最少，也是較少的，甚至一度比對遙遠的天王星和海王星還少。想了解這顆神秘類地行星的真實面貌嗎？一起來看盧昌海的文章《給天文學家出難題的行星——水星》，小編將分三期為大家介紹。

盧昌海/文

水星的公轉與自轉

水星是離太陽最近的行星——這「近」當然是天文學意義上的「近」：水星在近日點和遠日點離太陽的距離分別約為4600 萬千米和7000 萬千米。水星不僅離太陽近，離地球也不遠，最近和最遠距離分別約為7700 萬千米和2.2 億千米，以最近距離而論是離地球第三近的行星（僅次於金星和火星）。

初看起來，離太陽近意味著能反射較多的陽光，對於行星這種自身不發光的天體來說意味著絕對亮度較大；離地球近則錦上添花，不僅意味著表觀亮度較大，而且也便於行星探測器前去探測。照說這樣的行星該是比較容易觀測和探測，從而也了解得較多的，事實卻恰好相反：水星是一顆在各方面都給天文學家們出難題的行星，我們對它的了解則在太陽系行星中即便不是最少，也是較少的，甚至一度比對遙遠的天王星和海王星的了解還少。

而且不無戲劇性的是，水星給天文學家們出的第一個難題恰恰就是因為離太陽近——太近。

由於離太陽太近，對於地球上的觀測者來說，水星多數時候都會被太陽的光芒所干擾——甚至徹底淹沒，每年只有幾個星期的時間適合觀測。而且即便在那段時間裡，觀測也大都只能在黎明或黃昏，在水星比太陽早升起或晚落下的一小段時間裡進行，而不像多數其他天文觀測那樣能以黑暗夜空為背景進行。這樣的觀測不僅會因明暗對比的不夠顯著而增加難度，而且還會因視線以接近地平線的角度穿越較長距離的大氣層，而容易受大氣的擾動與折射，及地平線附近的地形或建築物的影響。這些都使得對水星的觀測相當困難——雖然以最大表觀亮度而論，水星其實是全天排名第六的最明亮天體，僅次於太陽、月亮、金星、火星和木星。

為這種困難雪上加霜的是：水星的公轉與自轉周期，以及地球的公轉周期之間存在著混雜了必然與巧合的微妙關係，長時間誤導了天文學家們。

具體地說，水星的公轉周期約為88 天（更精確的數值約為87.969 天），自轉周期約為59 天（更精確的數值約為58.646 天），兩者之比正好是3:2。這種存在於公轉與自轉周期間的簡單比例關係是天體力學中形形色色的共振現象的一種，被稱為「軌旋共振」。水星的軌旋共振是太陽對像水星這樣離得較近，且軌道偏心率較大的行星的巨大潮汐作用造成的，具有一定的必然性。巧合的部分則是：水星與地球的所謂「會合周期」約為116 天，不僅很接近水星自轉周期的兩倍（即116 ≈ 59×2），同時也接近地球公轉周期的1/3——即1/3 年（即116 ≈ 365/3）。

什麼是水星與地球的會合周期呢？它是水星、地球與太陽這三者連續兩次回到——或近似回到——同一組相對位置的時間間隔。這種「相對位置」的一個最簡單的例子是水星與地球在太陽同側且與太陽連成一線，這時地球與水星的距離最近（「會合」）；一個稍複雜的例子則是水星處於所謂的東大距或西大距，這時從地球上看到的水星相對於太陽的分離角度——即所謂距角——最大。由於觀測水星的一個主要困難就是太陽光芒的干擾，而距角越大幹擾越少，因此水星處於東大距或西大距是有利於觀測的。不過還有一個因素也很重要，那就是水星視運動軌跡與地平線的夾角，因為在同樣的距角下，視運動軌跡與地平線的夾角越大，則水星比太陽早升起或晚落下的幅度——即離地平線的最大高度——就越顯著（好比立在地上的一根桿，與地面的夾角越大，頂端離地面的高度就越大），從而越有利於觀測。進一步分析表明，由於這第二個因素的存在，每三次東大距或西大距中才有一次是最有利於觀測的，它們彼此間隔三個會合周期——確切地說最有利於觀測的機會共有兩組，一組是東大距，對應於水星比太陽晚落下的情形；另一組是西大距，對應於水星比太陽早升起的情形。（同組之內）連續兩次最有利於觀測的機會通常間隔三個會合周期。

將這一結果跟水星與地球的會合周期「很接近水星自轉周期的兩倍，同時也接近地球公轉周期的1/3——即1/3 年」這一巧合，以及水星公轉與自轉周期之間3:2 的軌旋共振聯繫起來，不難看到，（同組之內）連續兩次最有利於觀測水星的機會之間通常間隔1 年——即地球公轉1 圈，或水星自轉6 圈，或水星公轉4 圈。由於這些都恰好是整數，因此在這個時間間隔之內水星與地球的公轉與自轉都幾乎恰好轉回到同一方位。由此得出的直接推論是：水星會以同一面朝向地球。或者完整地說：（同組之內）連續兩次最有利於觀測水星的機會幾乎總是會觀測到水星的同一面。由於很多天文學家正是選擇最有利於觀測水星的機會來觀測的，因此他們每次看到的水星表面往往是相同的。

這種微妙關係把天文學家們誤導到了一個比真實情形更簡單、然而卻是錯誤的猜測上，即猜測水星永遠以同一面朝向太陽。因為若如此，則在任何一個東大距或西大距時，水星都自動會以同一面朝向地球，從而無需依賴水星與地球的會合周期「很接近水星自轉周期的兩倍」這一早期天文學家並不知道的巧合，就可以解釋每次看到的水星表面往往是相同的這一現象。1882 ～ 1890 年間，義大利天文學家夏帕雷利通過對水星的認真觀測「證實」了這一猜測。1924 ～ 1929 年間，希臘天文學家安東尼艾迪基於長期觀測所繪製的水星地圖也大體「證實」了這一猜測。不僅如此，這一猜測所對應的是水星公轉與自轉周期之比為1:1 的情形，它作為軌旋共振中最簡單的特例，被稱為「潮汐鎖定」，本身也是天體力學中很常見的共振形態（比如月球的公轉與自轉就是一個例子）。因此，這是一種在觀測和理論上都說得通的猜測。這樣的猜測長期誤導了天文學家，使他們直到20 世紀60 年代初還以為水星總是以同一面朝向太陽。

天文學家們發現這一猜測有問題，是因為它的一個推論——別小看推論，在科學這樣具有嚴密邏輯的體系中，對推論進行檢驗是發現問題的重要途徑之一。

那是一個什麼推論呢？很簡單：假如水星總是以同一面朝向太陽，那麼這一面就永遠是白天，另一面則永遠是黑夜。而一個永遠是黑夜的地方有個基本特徵就是冷。因此，假如水星總是以同一面朝向太陽，那麼這個離太陽最近的行星很可能悖論般地擁有太陽系行星上最寒冷的地方，這就是推論。但是1962 年，天文學家們通過微波研究發現了水星背著太陽那一面並沒有如想像中那樣的寒冷，而是能發射與那樣的寒冷不相稱的熱輻射。這顯示那一面很可能並不是永遠背著太陽，而是殘留著白天的餘溫。這樣一來，「水星總是以同一面朝向太陽」這個初看起來頗為合理的猜測就被動搖了。1965 年，通過直接向水星發射雷達波並觀測反射波所顯示的體現水星表面運動的多普勒效應，天文學家們直接測定了水星的自轉周期，結果發現約為59 天，只有公轉周期的2/3 左右。這一結果後來得到了反覆驗證，徹底推翻了「水星總是以同一面朝向太陽」這一猜測，並確立了水星公轉與自轉周期之間3:2 的軌旋共振。

測定自轉周期並確立3:2 的軌旋共振並不是水星運動帶給天文學家的的唯一難題。一個遠比它更出名的難題是所謂的水星「近日點進動」之謎。這個難題很早就被注意到了，因為限於設備，早期天文學家們所能從事的天文研究種類很有限，其中很大一類就是觀測行星的軌道，並與當時公認的牛頓萬有引力定律的計算相比較。這類工作是頗有成效的，不僅在多數情況下能以很高的精度驗證理論，而且哪怕在觀測與理論一度出現偏差時，也曾有過輝煌——甚至更輝煌——的成就，即海王星的發現。

但水星卻給這類研究也出了一個難題。

觀測顯示，水星的橢圓形軌道相對於背景星空是緩慢旋轉著的。這種被稱為近日點進動的現象本身並不新奇，是所有行星和衛星的軌道在不同程度上共有的。麻煩出在哪裡呢？出在具體數值上——就如西諺所云：魔鬼存在於細節之中。精密的觀測及計算表明，水星近日點進動的觀測數據與理論計算之間存在一個雖然微小但很確鑿的偏差。在理論上，造成水星近日點進動的主要因素是其他行星的引力攝動及太陽的扁度等。但把所有這些因素都考慮進去之後，雖然99%以上的觀測值都得到了解釋，那剩餘的略小於1% 的觀測值卻仍是個謎。這部分有多大呢？約為每100 年43 角秒——相當於圓周的十萬分之三。每100 年才相差圓周的十萬分之三，這幾乎是一種難以察覺的細微，但在天文學家們的細緻觀測下不僅被注意到了，而且遠遠大於了觀測和理論計算的誤差，從而構成了一道確鑿的難題。這道難題早在19 世紀中葉就被注意到了，卻直到1915 年才由愛因斯坦的廣義相對論所解決，成為廣義相對論的三大經典驗證之一。

文章來源：《現代物理知識》27卷第4期(總160期)，更多精彩內容戳閱讀原文↓↓↓