广义相对论是如何解决水星额外进动的问题？
最后更新：2020-03-23 15:07:33 手机定位技术交流文章
“对我来说，世界上没有比科学进步更高的荣誉了。””——艾萨克·牛顿的
牛顿的引力理论统治了人类近两个世纪的世界观。在天堂或地球上，没有什么是牛顿不能解决的。但是他偶然发现了水星。
现在我们知道爱因斯坦的广义相对论已经优于牛顿理论，因为如果我们使用牛顿定律，水星轨道的进动将会有微小的偏差，很难每个世纪都平滑。广义相对论如何解决这个问题？大多数时候我们会跳过这个问题，但是今天我们将详细讨论，广义相对论在哪里比牛顿引力更强？从上面
的图片中我们可以看到，太阳系中的每颗行星都围绕太阳旋转。更准确地说，这颗行星的轨道不是一个完美的圆，而是一个椭圆，开普勒在牛顿之前一个世纪就发现了它。在太阳系内部，地球和金星的轨道非常接近圆形，但水星和火星的轨道似乎更为椭圆形，它们离太阳最近和最远的距离也大不相同。
特别是水星的远地点(离太阳最远的点)比它的近日点(离太阳最近的点)大46%，而地球只有3.4%的不同。这足以看出什么是近似圆形的，什么是椭圆形的。
至于为什么行星的轨道不同，这种引力与太阳无关，也就是说，它与离太阳的距离无关，只是因为行星形成时的条件导致了特定的轨道。
如果开普勒定律在太阳系中是绝对完美的，那么围绕太阳运行的行星将返回到一个完美的闭合椭圆，也就是说，行星开始在一个位置旋转，并且一旦它旋转一周就返回到它的起始位置。换句话说，当地球开始在近日点旋转时，地球将在一年后回到近日点。地球在太空中相对于太阳的位置与前一年完全相同。
但是我们知道开普勒定律只在数学上是完美的，它的完美只适用于没有质量的方向。但是太阳系不仅有质量，而且许多天体也会干扰轨道上行星的运行。
当一颗行星围绕太阳运行时，它被其他大型天体所包围，包括行星、卫星、小行星等此外，行星和太阳都有质量，这意味着行星本身不围绕太阳中心运行，而是围绕行星/太阳系统的质量中心运行。最后，我们的地球绕着它的轴旋转，这意味着我们的回归年(季节和日历)和恒星年(地球自转360度)是不同的换句话说，春分点不断向西移动。返回的年份总是比恒星年少20分24秒。这是岁差。
如果我们想预测另一颗行星的轨道会随时间变化多少，我们必须考虑所有上述因素。
首先，恒星年和回归年之间的差异很小，但很重要:恒星年比回归年早20分24秒这意味着当我们说季节、春分和二至点时，这是基于日历年发生的，但是地球的近日点相对于这些节气有轻微的变化。一个圆是360度，所以从一年的1月1日到下一年的1月1日，地球实际上只在轨道上转了359.98604度，这意味着(60’(弧分)为一度，60’(弧秒)为一弧分)，由于地球的进动，每个行星的近日点将以每世纪5025”的速度移动。
但同时，也应考虑行星质量的影响。
每颗行星对另一颗行星的运动都有不同的影响，这取决于它的相对距离、质量、轨道接近度以及它是在行星内部还是外部。水星是最里面的行星，可以说是最容易计算的行星:所有的行星都在水星之外，所以外面的行星会推进水星的近日点。以下是这些行星的影响，重要性递减:
金星277.9英寸/世纪
木星:153.6英寸/世纪
地球:每个世纪90.0英寸
土星:每个世纪7.3英寸
火星:每个世纪2.5英寸
天王星:每个世纪0.14英寸
海王星:每世纪0.04英寸
还具有其他影响，例如小行星和柯伊伯带物体的影响，以及太阳和行星的扁率(非球形)，即每个世纪0.01英寸或更小，因此可以忽略。总而言之，这些效应使水星近日点每一个世纪都前进了532英寸。如果我们加上地球进动的影响，我们每个世纪都会得到5557英寸的进步。但是我们观察到水星的近日点正以每世纪5600英寸的速度前进。
的实际进动比牛顿预测的要大，那么为什么呢？
要考虑和解决的第一个想法是，水星内部仍然有一颗未知的行星，它的旋转速度很快，可以通过重力的影响对水星产生额外的推力，或者日冕非常大。这两种情况都可能产生所需的额外重力效应但是太阳的日冕并不大，也没有所谓的火神。
的第二个想法来自西蒙·纽康和阿萨·哈尔。他们认为，如果我们用另一个定律代替牛顿的引力平方反比定律，即引力与距离的2.0000001612次方成反比，我们可以解释水星的额外进动。言下之意是牛顿错了。正如我们今天所知，如果牛顿的引力方程被修正，月球、金星和地球的轨道将被打乱，所以这是不可能的。
的第三个想法来自亨利·庞加莱(Henry Poincare)，他指出，如果我们考虑爱因斯坦的狭义相对论(水星以48公里/秒的平均速度或光速的0.016%绕太阳运行)，我们将会得到一些(但不是全部)缺失的岁差。
是第二种和第三种观念的结合，产生了广义相对论时间和空间的概念来自爱因斯坦的老师赫尔曼·明科夫斯基。当庞加莱把这个概念应用到水星轨道的问题上时，他朝着解决这个问题迈出了重要的一步。尽管纽科姆和霍尔的观点是不正确的，但他们表明，如果引力比牛顿对水星轨道的预测更强，它可以解释水星的异常进动。
当然，爱因斯坦的伟大思想是物质/能量的存在会导致空间弯曲，物体离质量非常大的物体越近，吸引力就越强。与牛顿引力理论的偏差越大
，也就是说，在一个大质量物体附近或在一个强大的重力面前，物体感受到的重力比牛顿理论预测的要大这解释了为什么牛顿的理论可以成功地解释其他行星的运动，但偏偏水星不在这里。因为水星离太阳最近。在爱因斯坦的引力理论弥补了水星的额外冲击之后，他也做出了一个非凡的预测。
是当光穿过一个巨大的天体，如太阳，它会弯曲。这个预测最终被用来检验牛顿理论和爱因斯坦理论中哪一个是正确的。
牛顿的理论预言，星光穿过太阳时根本不会偏转，因为光没有质量。但是如果我们根据爱因斯坦的E = mc^2给光指定一个质量，那么根据牛顿的引力理论，光会偏转0.87英寸然而，爱因斯坦的理论给出了两倍的偏差:1.75英寸这些数字
非常小，差异也非常小。然而，在1919年的日食期间，亚瑟·爱丁顿和安德鲁·克罗默林的联合研究导致了1.61“0.30”的光偏转，这在误差范围内与爱因斯坦的预测一致，与牛顿的预测不一致。
这不仅是牛顿的万有引力被取代的故事，也是牛顿理论以何种方式出现缺陷的故事从那以后，广义相对论赢得了许多预测，但还没有失败。
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