水星虽小,但它撬动了统御宇宙200多年的时空观

【菜科解读】
上文我们说了牛顿引力的巅峰时刻,那就是成功的算出了太阳系中的一颗未知行星海王星,也让人们再次体验到了牛顿的伟大,但是好景不长,随着观测技术的进步,接下来发生的事情,彻底为牛顿的引力理论蒙上了一层挥之不去的阴影,也为牛顿的引力理论下了一道生死符。
这事要从水星说起离太阳最近的行星——水星,是八颗大行星中轨道偏心率最大的,这意味着它的轨道的长轴与短轴的比值最高。
根据开普勒的定律,这个椭圆应该是封闭的,也就是说,水星每耗时87.9691 个地球日完成一圈公转之后,总是应该精确地回到同一个点上。
天文学家们求证这一事实的方式是持续注意其轨道的近日点位置有无变化,也就是说,水星离太阳最近的那个位置是不是在每一圈公转中都是一致的。
自第谷·布拉赫的时代(16世纪初)开始积累下来的几百年的观测资料表明,事实并非如此。
水星轨道的近日点在它每公转一圈之后都会稍微偏移一点,进而可以在宇宙空间中连成一条不断前进的轨迹,这种现象叫作进动。
很明显,开普勒定律对此包含着三个假设:
假设太阳系所有天体都被牛顿定律精确地统摄着;假设太阳系内只有太阳和水星两个天体;假设观察者在宇宙空间中所处的位置也始终不变。上述第二个和第三个假设显然并不符合实际情况:其他七颗大行星(此外还有小行星带)都在影响着水星的运动,而且我们立足的地球本身也有着复杂微妙的轨道变化。
于是,问题就转化为:太阳系其他天体的存在,以及地球本身的运动,是否给水星近日点的进动造成了影响。
地球本身的运动对水星轨道的影响实际上,地球的公转确实对水星在天幕上的运动效果造成了明显的影响,而且是最主要的一个影响因素。
详细说来,提到一年的时间,我们会有两种常见的联想,一是春、夏、秋、冬更替一遍的时间,二是地球绕太阳运行一圈的时间。
这两种联想看起来是等效的,其实却有一个小小的差异:前者代表的是气候意义上的一年(亦称回归年),后者代表的是天文意义上的一年(亦称恒星年),后者比前者长20分24秒。
这个差距看起来不大,但它毕竟意味着从一个元旦0点到下一年元旦0点期间,地球绕着太阳转过的角度并不是360°,而是359.98604°。
这种差距不断累积起来,导致每过72年,根据回归年编制的历法和根据恒星年编制的历法之间就会相差一整天,而每过26 000年,根据恒星年编制的历法就会慢上一个整年。
出于指导农业生产的考虑,我们日常使用的是回归年;而我们对行星位置的描述都以遥远的背景恒星为参照,等于是在使用恒星年。
这种差异会让我们看到的水星近日点位置在每个世纪偏移1.396°。
为了表示精细的数值,天文学家把1°分为60个角分,而1个角分又分为60个角秒,所以从地球上观测到的这种偏移的幅度也可以写成每个世纪5025角秒。
太阳中其他天体对水星轨道的影响除此之外,其他行星也对水星施加着引力影响。
#p#分页标题#e#正如天王星在与海王星这种质量的天体接近时,运动状况会受其引力作用而略微偏离开普勒定律一样,其他行星特别是质量较大的行星离水星相对比较近时,水星的运动状况也会发生十分微妙但足以被察觉的变化。
率先深入研究其他大行星乃至小行星对水星轨道的影响的人,还是勒维耶(就是那位用计算预测出海王星的质量和位置的勒维耶)。
由于当时一些行星的质量数值不够精确, 他对水星运动的研究结果也谈不上非常准确,但他采用的计算方法则是可靠的。
除太阳外,金星对水星施加的引力影响最大,其次依次是木星、地球、土星和火星,而即便是天王星和海王星,也施加了一点点影响。
如果将我们如今精确掌握的各大行星的质量和位置数值代入勒维耶的算法,可知其他各行星对水星近日点进度幅度的影响为每个世纪 532 角秒。
这个幅度,应该加在前文所说的、由地球上两种历法思想的差异而造成的每个世纪5025角秒的上面。
二者相加,得到每个世纪 5 557角秒,这与实际观测到的幅度每个世纪 5 600角秒非常接近。
但是,仍有剩下的 43 角秒的差值没有得到合理解释。
这一仅占总幅度0.77% 的神秘差异,不应该被归咎于观测误差,因为我们已经有了很长一段时期内的高精度观测资料。
同时,它也不应该被归咎于海王星之外尚不为人所知的大行星,因为那种行星即使质量很大,与水星的距离也过于遥远,这会导致其引力摄动作用不足以造成这么大的偏差;再者说,如果真有那么大质量的未知行星,则海王星的实际运动状况一定会与理论数值之间有很大的出入,然而海王星的表现并非如此。
结果,科学家们还得努力为每个世纪43角秒的未解偏差另寻根源。
科学家效仿海王星的例子,假设金星质量问题以及未知的火神星有人猜测,金星的质量可能比我们认为的要大:如果金星的实际质量比我们掌握的数值多出14%,则其对水星近日点进动的影响就正好可以填上那每世纪 43 角秒的空缺。
但如果真是那样,则金星对地球运动的影响就会与我们原本以为的情况不同,而我们关于地球运动的计算已经与观测事实吻合得很好了。
因此,金星的质量误差不可能是通往正解的门径。
另外一些人猜测,在比水星离太阳更近的地方,还存在一颗甚至多颗我们尚未发现的行星,是它们的引力摄动造成了剩下43角秒的偏差。
这个思路在当时有众多的支持者,有人甚至为这颗假想中的大行星起了名字——罗马神话中的火神伏尔甘(Vulcan),即火神星。
但是,众多专业的、业余的观测者费尽力气也没有找到这颗星存在的证据,就更谈不上推算它对水星运动的影响了。
另外,还有一种在当时根本无法通过观测去检验的猜测——天文学家希林格(Hugo vonSeelinger)提出:日冕有着很大的质量,是日冕的引力造成了水星轨道规律的异常。
尝试对引力公式的修改面对这个问题而无计可施的窘境,又使得牛顿万有引力定律是否正确的问题回到了重要议事日程上。
这一定律指出,任意两个物体之间的引力与它们的质量成正比,且与它们距离的平方成反比。
纽康(Simon Newcomb)和霍尔(Asaph Hall)注意到,只要将反比中的2次幂(即平方)关系修改为2.000000157次幂,就可以完美解释水星近日点的进动。
但是这个思路显得斧凿之痕太重,像是专门为了解决这个问题而提出的,在其他的问题上缺乏解释力。
(如今,通过对金星和地球轨道进动情况的监测,纽康和霍尔提出的这个猜测已经彻底被否定了。
但以当时的技术能力,他们是无法检验这个想法的。
)
但是,纽康刻意架设出来的这个定律却为真正解决问题提供了一种启示。
#p#分页标题#e#在牛顿的引力定律中,不论物体的运动速度为何,都没有特别的规定,也就是说,哪怕是对运动速度极快(如接近光速)的物体,牛顿也允许直接套用万有引力的公式。
接下来的事就要叫给爱因斯坦了与之相比,爱因斯坦的相对论则是别开生面:这一理论不但设定光速是速度的极限,任何物体均无法超越,而且认为当物体运动时,物体的尺寸会在运动方向上被压缩,其所处的时间的流逝也会变慢,只不过这些效应要在物体速度接近光速的情况下才会更加显著。
太阳系中诸天体的运动速度,都可以认为远远小于光速。
即便是公转速度最快的水星,其在轨道上的速度也只有每秒 47.87千米,相当于光速的0.01597%。
在这个速度水平上,钟慢、尺缩等效应太过微弱,是没有实际意义的,但其效用在漫长的时间之中积累起来,就可以造成显著的结果。
1908 年,法国数学家庞卡莱算出这种效果在水星轨道上每个世纪可以积累7角秒的进动幅度。
尽管狭义相对论未能完全填平这个43角秒的坑,但它在引申牛顿的物理学成就、解决水星近日点进动问题的征途上,迈出了正确、重要的一步。
为了解答水星轨道进动问题而做出的诸多尝试,让人们越发忍不住推测:牛顿的万有引力定律并非不可超越。
而水星轨道进动的问题直到1915年爱因斯坦发表广义相对论后,才得以解决!我们下文再说!
虚假记忆就是与真实记忆不一致自己骗自己
每一个人的记忆力都是有所不同,有的人在二三十岁应该还可以记着小时候四五岁的事情,甚至还可以将这些事情完完全全的讲述出来。
但是讲述出来的事情有可能和自己的真实经历有很大的出入,其实这也就是所谓的虚假记忆。
然而在生活中每个人都会拥有很大的虚假记忆,接下来详细了解一下。
虚假记忆是什么虚假记忆其实就是自己骗自己,和自己真实的记忆是不一样的。
虚假记忆已经引起了很多人的关注,很多人都会通过各种方式来研究虚假意义,然而有所谓的,专家就认为,大脑记忆当中自动形成了一种回忆,然而在生活中,每个人都有可能会出现虚假记忆这种情况。
有时候就会通过自己的叙述将事实扭曲,而且表述出来和自己真实经历一定有很大出入。
这也就是所谓的虚假记忆,这都是属于正常现象,每个人都会经历。
虚假记忆产生的原因其实曾经美国的相关人员就进行研究,针对于人的大脑进行了一系列的实验和猜测,之后就认为虚假记忆其实就是大脑当中负责记忆的一块区域,在短时间当中活动比较频繁,再加上活力很大,导致出现虚假记忆。
虚假记忆是正常现象很多人都觉得出现虚假记忆之后,是不是对自己的大脑就出现了问题,或者是自己身体某个部位发生了病变?但事实上并不是如此虚假,机遇在人体当中是很正常的现象也是很常见的,因为人的大脑记忆力是有限的,总是会莫名其妙的去遗忘一些东西。
然而在记忆的过程当中,总是会想起对自己有帮助或者是快乐的事情。
虽然有的人成年之后还会想起儿时的经历,但这些都只是模模糊糊的,并不能够完全的记忆下来。
土卫六有大气层有海洋还下雨,若移到宜居带中,会成为宜居星球吗
不过科幻电影《流浪地球》中假设数百年后人类给地球装上了行星发动机,依靠它的强大推力将地球推离了太阳系,或许未来的人类可以利用这种技术改造太阳系,那么这样把土卫六推离轨道可以实现吗?土卫六这星球的质量虽然跟地球差很远,但它有着比地球更为浓厚的大气层,大气压是地球的1.5倍,在上面安装行星发动机的话,将会把它上面的空气吹跑一大部分,所以这个方法也不是很理想,除非将发动机建造得高达上百公里,而如此高的发动机又是难以想象的,其底部承受的压力非常巨大,金属也可能被压得融化掉,所以《流浪地球》中的方法对土卫六而言并不适用实际上对地球也不实用。
那么有什么办法可以移动土卫六吗?其实办法也不是没有,太阳系中有很多没有大气层的卫星和矮行星,在这样的星球上安装行星发动机,将其加速后从斜后方撞击正在前进中的土卫六,将其加速并推离土星引力,也有可能使它脱离土星轨道,但是这样的话却会大大破坏土卫六表面的现有环境,也不是很理想。
其实我们也不必这样讨论将土卫六移动到太阳系的宜居带,因为土卫六来到太阳的宜居带也不会变成宜居的生命星球,因为虽然土卫六有着浓厚的大气层,表面可能有甲烷等形成的海洋,但是它来到宜居带中,这一切都会发生变化。
首先,土卫六本身并没有磁场,他之所以会有浓厚的大气场,是因为土星的磁场在保护它,它的运行轨道大部分都位于土星的磁场范围中,而且土星本身就是一个气态星球,土卫六围绕土星运行,可以大量吸收土星的散逸气体,所以土卫六才会成为拥有浓厚大气层的卫星。
如果它来到太阳系的宜居带中,它就失去了土星磁场的保护,其大气层就会在高速的太阳风吹拂之下越来越少,最终很可能会成为一个没有大气层的星球。
在太阳系宜居带中,土卫六表面的温度要比在土星附近高得多,即便它像地球和火星这样处于自转状态,它的赤道附近温度也会有二三十摄氏度的高温,这样的话,它表面的甲烷等海洋也将会很快挥发掉。
那么在这之后,土卫六会变成一个火星那样的沙漠星球吗?还不会!因为土卫六还是一颗富水星球,它来到宜居带中之后,水冰会融化成水,而表面的大气层被吹拂掉之后,这些水和水冰都会变成水蒸气继续挥发,并从土卫六上逃逸出来,当这些水都逃逸掉之后,土卫六的质量将会小很多,因为土卫六上面含有大量的水,比我们地球上的水还要多很多。
所以这样一来,土卫6还是会成为一个干旱的沙漠星球,本身质量也会缩小很多,因为它的大气层,表面的甲烷液体海洋和水等都会消失,不过这个消失的过程会很漫长。