科学星期五︱卢昌海：水星怎么给科学家出难题

【编者按】

        “科学星期五”是一档关于科学和科技的栏目，逢周五播出，给有好奇心的人。

        本期嘉宾是卢昌海先生。卢昌海本科就读于复旦大学物理系，毕业后赴美留学，于2000年获美国哥伦比亚大学物理学博士学位，目前旅居纽约。著有《那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界》《太阳的故事》和《黎曼猜想漫谈》《从奇点到虫洞：广义相对论专题选讲》等。

        水星是离太阳最近的行星——这“近”当然是天文学意义上的“近”：水星在近日点（perihelion）和远日点离太阳的距离分别约为4,600万公里和7,000万公里。水星不仅离太阳近，离地球也不远，最近和最远距离分别约为7,700万公里和2.2亿公里，以最近距离而论是离地球第三近的行星 (仅次于金星和火星)。

        初看起来，离太阳近意味着能反射较多的阳光，对于行星这种自身不发光的天体来说意味着绝对亮度较大；离地球近则锦上添花，不仅意味着表观亮度较大，而且也便于行星探测器前去探测。照说这样的行星该是比较容易观测和探测，从而也了解得较多的，事实却恰好相反：水星是一颗在各方面都给天文学家们出难题的行星，我们对它的了解则在太阳系行星中即便不是最少，也是较少的，甚至一度比对遥远的天王星和海王星的了解还少。        

        而且不无戏剧性的是，水星给天文学家们出的第一个难题恰恰就是因为离太阳近——太近。        

        由于离太阳太近，对于地球上的观测者来说，水星多数时候都会被太阳的光芒所干扰——甚至彻底淹没，每年只有几个星期的时间适合观测。而且即便在那段时间里，观测也大都只能在黎明或黄昏，在水星比太阳早升起或晚落下的一小段时间里进行，而不像多数其他天文观测那样能以黑暗夜空为背景进行。这样的观测不仅会因明暗对比的不够显著而增加难度，而且还会因视线以接近地平线的角度穿越较长距离的大气层，而容易受大气的扰动与折射，及地平线附近的地形或建筑物的影响。这些都使得对水星的观测相当困难——虽然以最大表观亮度而论，水星其实是全天排名第六的最明亮天体，仅次于太阳、月亮、金星、火星和木星。        

        为这种困难雪上加霜的是：水星的公转与自转周期，以及地球的公转周期之间存在着混杂了必然与巧合的微妙关系，长时间误导了天文学家们。     

        具体地说，水星的公转周期约为88天（更精确的数值约为87.969天），自转周期约为59天（更精确的数值约为58.646天），两者之比正好是3:2。这种存在于公转与自转周期间的简单比例关系是天体力学中形形色色的共振现象的一种，被称为“轨旋共振”。水星的轨旋共振是太阳对像水星这样离得较近，且轨道偏心率较大的行星的巨大潮汐作用造成的，具有一定的必然性。巧合的部分则是：水星与地球的所谓“会合周期”约为116天，不仅很接近水星自转周期的两倍，同时也接近地球公转周期的1/3——即1/3年。        

        什么是水星与地球的会合周期呢？它是水星、地球与太阳这三者连续两次回到——或近似回到——同一组相对位置的时间间隔。这种“相对位置”的一个最简单的例子是水星与地球在太阳同侧且与太阳联成一线，这时地球与水星的距离最近（“会合”）；一个稍复杂的例子则是水星处于所谓的东大距或西大距，这时从地球上看到的水星相对于太阳的分离角度——即所谓距角——最大。由于观测水星的一个主要困难就是太阳光芒的干扰，而距角越大干扰越少，因此水星处于东大距或西大距是有利于观测的。

        不过还有一个因素也很重要，那就是水星视运动轨迹与地平线的夹角，因为在同样的距角下，视运动轨迹与地平线的夹角越大，则水星比太阳早升起或晚落下的幅度——即离地平线的最大高度——就越显著，从而越有利于观测。进一步分析表明，由于这第二个因素的存在，每三次东大距或西大距中才有一次是最有利于观测的，它们彼此间隔三个会合周期——确切地说最有利于观测的机会共有两组，一组是东大距，对应于水星比太阳晚落下的情形；另一组是西大距，对应于水星比太阳早升起的情形。（同组之内）连续两次最有利于观测的机会通常间隔三个会合周期。        

        将这一结果跟水星与地球的会合周期“很接近水星自转周期的两倍，同时也接近地球公转周期的1/3——即1/3年”这一巧合，以及水星公转与自转周期之间3:2的轨旋共振联系起来，不难看到，（同组之内）连续两次最有利于观测水星的机会之间通常间隔1年——即地球公转1圈，或水星自转6圈，或水星公转4圈。由于这些都恰好是整数，因此在这个时间间隔之内水星与地球的公转与自转都几乎恰好转回到同一方位。由此得出的直接推论是：水星会以同一面朝向地球。或者完整地说：（同组之内）连续两次最有利于观测水星的机会几乎总是会观测到水星的同一面。由于很多天文学家正是选择最有利于观测水星的机会来观测的，因此他们每次看到的水星表面往往是相同的。        

        这种微妙关系把天文学家们误导到了一个比真实情形更简单、然而却是错误的猜测上，即猜测水星永远以同一面朝向太阳。因为若如此，则在任何一个东大距或西大距时，水星都自动会以同一面朝向地球，从而无需依赖水星与地球的会合周期“很接近水星自转周期的两倍”这一早期天文学家并不知道的巧合，就可以解释每次看到的水星表面往往是相同的这一现象。

        1882-1890年间，意大利天文学家夏帕雷利通过对水星的认真观测“证实”了这一猜测。1924-1929年间，希腊天文学家安东尼艾迪基于长期观测所绘制的水星地图也大体“证实”了这一猜测。不仅如此，这一猜测所对应的是水星公转与自转周期之比为1:1的情形，它作为轨旋共振中最简单的特例，被称为“潮汐锁定”，本身也是天体力学中很常见的共振形态（比如月球的公转与自转就是一个例子）。因此，这是一种在观测和理论上都说得通的猜测。这样的猜测长期误导了天文学家，使他们直到20世纪60年代初还以为水星总是以同一面朝向太阳。        

        天文学家们发现这一猜测有问题，是因为它的一个推论——别小看推论，在科学这样具有严密逻辑的体系中，对推论进行检验是发现问题的重要途径之一。        

        那是一个什么推论呢？很简单：假如水星总是以同一面朝向太阳，那么这一面就永远是白天，另一面则永远是黑夜。而一个永远是黑夜的地方有个基本特征就是冷。因此，假如水星总是以同一面朝向太阳，那么这个离太阳最近的行星很可能悖论般地拥有太阳系行星上最寒冷的地方，这就是推论。但是1962年，天文学家们通过微波研究发现了水星背着太阳那一面并没有如想象中那样的寒冷，而是能发射与那样的寒冷不相称的热辐射。这显示那一面很可能并不是永远背着太阳，而是残留着白天的余温。

        这样一来，“水星总是以同一面朝向太阳”这个初看起来颇为合理的猜测就被动摇了。1965年，通过直接向水星发射雷达波并观测反射波所显示的体现水星表面运动的多普勒效应，天文学家们直接测定了水星的自转周期，结果发现约为59天，只有公转周期的2/3左右。这一结果后来得到了反复验证，彻底推翻了“水星总是以同一面朝向太阳”这一猜测，并确立了水星公转与自转周期之间3:2的轨旋共振。        

        测定自转周期并确立3:2的轨旋共振并不是水星运动带给天文学家的的唯一难题。一个远比它更出名的难题是所谓的水星“近日点进动”之谜。这个难题很早就被注意到了，因为限于设备，早期天文学家们所能从事的天文研究种类很有限，其中很大一类就是观测行星的轨道，并与当时公认的牛顿万有引力定律的计算相比较。这类工作是颇有成效的，不仅在多数情况下能以很高的精度验证理论，而且哪怕在观测与理论一度出现偏差时，也曾有过辉煌——甚至更辉煌——的成就，即海王星的发现。        

        但可恶的水星却给这类研究也出了一个难题。        

        观测显示，水星的椭圆形轨道相对于背景星空是缓慢旋转着的。这种被称为近日点进动的现象本身并不新奇，是所有行星和卫星的轨道在不同程度上共有的。麻烦出在哪里呢？出在具体数值上——就如西谚所云：魔鬼存在于细节之中。精密的观测及计算表明，水星近日点进动的观测数据与理论计算之间存在一个虽然微小但很确凿的偏差。

        在理论上，造成水星近日点进动的主要因素是其他行星的引力摄动及太阳的扁度等。但把所有这些因素都考虑进去之后，虽然99%以上的观测值都得到了解释，那剩余的略小于1%的观测值却仍是个谜。这部分有多大呢？约为每100年43秒——相当于圆周的十万分之三。每100年才相差圆周的十万分之三，这几乎是一种难以察觉的细微，但在天文学家们的细致观测下不仅被注意到了，而且远远大于了观测和理论计算的误差，从而构成了一道确凿的难题。这道难题早在19世纪中叶就被注意到了，却直到1915年才由爱因斯坦的广义相对论所解决，成为广义相对论的三大经典验证之一。