水星 1859年軌道之謎 引發牛頓力學失效

1859年 天文學家於爾班勒維耶 發現了一個無人知曉的祕密 太陽系內有一顆星球的運行軌道 不符合牛頓力學定律 這怎麼可能呢 勒維耶可不是什麼小角色 14年前 他正是靠着筆尖上的發現 僅用數學計算 就精準的預言了海王星的位置 勒維耶一戰成名 轟動了世界 被譽爲牛頓力學最完美的代言人 可如今 他卻遇到了一個讓他懷疑人生的對手 水星 通過對水星靈日記錄的仔細分析 勒維耶發現了一個微小 但頑固的偏差 水星離太陽最近的那個點 也就是近日點 並非像牛頓定律預測的那樣固定不動 而是在緩慢的發生着勁動 像一朵緩緩旋轉的玫瑰 水星的運行爲什麼如此奇怪 這顆行星與太陽系的其他行星有什麼不同 有關水星的故事 咱們還得從頭說起 水星 一箇中文裏極度浪漫的名字 在中國古代 它被稱爲晨星 晨星的名稱來自古人的觀測 因爲它總是出現在太陽附近 運行範圍不超過黃到三十度 也就是在一晨的範圍內 到西漢時期 司馬遷仰望星空時 發現這顆行星呈現出深沉的灰色 在五行學說中 黑色屬水 司馬遷就將天文觀測與五行哲學聯繫起來 給它起了一個與水毫無關係的名字 水星 這是一個美麗的誤會 卻在冥冥中預言了這顆行星最極端的矛盾 在西方 這顆行星被稱爲墨丘利 是羅馬神話中衆神的信使 叫聲雙翼 行動如飛 這個名字恰恰捕捉到了它的本質 它是太陽系中公轉速度最快的行星 一年僅相當於地球的88天 到十九世紀末期 人類對水星的認知也就停留於此 直到法國天文學家勒維耶首次發現 水星運行軌道並不符合牛頓力學定律 水星才首次引發了科學界的關注 勒維耶最初的計算結果是 38角秒是什麼概念 相當於站在100米外 看一根頭髮絲的寬度 這點偏差微小到可以忽略不計 但在信奉宇宙像鐘錶一樣精確的科學家眼裏 它就像一根刺 深深的紮在牛頓力學的完美軀體上 勒維耶苦思冥想 居然想到了一種可能性 他認爲一定還有一顆行星 比水星更靠近太陽 在悄悄地擾動它的軌道 他甚至給這顆想象中的行星取了一個火神的名字 祝榮星 但是全世界的天文臺 把太陽的周圍翻了個底朝天 祝榮星連個影子都沒看到 1882年 美國天文學家紐康姆 對水星軌道進行了更精確的複測 在修正了觀測誤差與其他行星的攝動影響後 得出了一個更精確 也更讓牛頓學派絕望的殘差值 每世紀額外偏43角秒 水星就像個釘子戶 用它那43角秒的倔強 公然的挑釁着當時最偉大的科學定律 時間來到1915年11月11日 偉大的愛因斯坦 構建了一個前所未有的理論 廣義相對論 新理論的核心思想是 引力不是一種力 而是質量把時空壓彎了的結果 他從自己全新的引力場方程出發 重新推導了行星的運動方程 與牛頓的方程相比 廣義相對論版本的方程裏 多出了一個小小的修正項 3GM除以C²R² 這個項正是時空彎曲效應的直接體現 公式有了 怎樣才能證明公式是正確的呢 愛因斯坦想到了折磨天文界 1915年11月18日 就在廣義相對論問世7天后 愛因斯坦在普魯士科學院的會議上 做了一場震驚世界的報告 標題就是用水星來命名的 用廣義相對論解釋水星近日點運動 他把那個修正項3GM除以C²R² 代入水星的軌道參數 一算 結果出來了 美世紀43角秒 據說愛因斯坦當時的心跳都露了一拍 那種感覺就像一個鎖匠 花了幾十年打了一把鑰匙 發現他恰好能打開一扇 塵封百年所有人都打不開的鎖 爲什麼廣義相對論能解釋水星近動問題呢 原來行星根本不是被太陽拽着跑 而是在彎曲的時空裏 沿着最短的路徑滑行 越靠近太陽 時空彎曲的越厲害 水星是離太陽最近的行星 這種效應最爲明顯 所以水星的軌道 用牛頓力學定律計算 就會出現誤差 水星這顆離太陽最近的小個子 用美世紀43角秒的微小偏移 親手把人類從經典物理學的世界 推入到了一個時空彎曲的嶄新宇宙 時間來到1973年11月3日 水手石號從美國佛羅里達州卡納維拉爾角升空 這是人類第一次向水星發射探測器 很多人以爲太空探測越遠越難 但水星卻打破了這個認知 去水星的難度甚至超過了冥王星 爲什麼 因爲水星太靠近太陽了 任何一個探測器飛往水星 都像在一個巨大的引力深淵的邊緣行走 稍有不慎 就會被太陽的引力拉走 水星的質量僅爲地球的5.5% 要讓探測器被水星捕獲 必須不斷的減速剎車 這需要極其複雜的軌道設計 和巨大的燃料消耗 怎麼辦 一位意大利科學家朱賽佩·克隆伯 想出了一個絕妙的方法 利用金星重力助推的軌道 讓探測器抵達水星 1974年2月 探測器首先飛掠金星 他利用金星的引力場 改變了自己的速度和航向 成功的將近日電降低至水星軌道的水平 在金星引力的作用下 水手10號進入了一個日星橢圓軌道 這個軌道的週期約爲176天 正好是水星公轉週期的兩倍 這種軌道同步設計 使得探測器能夠多次與水星相逢 1974年3月29日 他從距水星表面703公里處 第一次飛掠 此後又飛掠了兩次 但他每一次回到水星 看到的都是同一張側臉 只能勘測水星表面45%的面積 即便如此 他仍然帶來了震驚的發現 水星竟然擁有全球性的磁場 水手10號在第三次飛掠水星時 因姿態控制氣體耗盡而結束了任務 目前它成爲了一顆 環繞太陽運行的人造衛星 時間來到2004年8月3日 NASA再次發射了信使號水星探測器 這一回人類的技術水平提高了 不再是飛掠水星了 而是要徹底的進入水星軌道 但是這個過程技術之複雜 時間之長遠超乎普通人的想象 信使號用了7年的時間 不斷的藉助地球 金星和水星本身的重力助推減速 終於在2011年3月18日 進入了水星軌道 成爲人類首個圍繞水星運行的探測器 信使號最震撼的發現之一 是在這顆被太陽灼烤的行星上 找到了水冰 水星的極地有許多隕石撞擊形成的深坑 由於地形遮擋 這些撞擊坑底部永遠被陽光所遺忘 被稱作永久陰影區 那裏的溫度常年低於零下170度 而冰在真空的環境中 每10億年才融化8米左右 信使號的中子能譜儀證實 水星兩極永久陰影區的水冰總量 估計達到了1000億噸 在這層冰上面 還覆蓋着厚達二三十釐米的複雜有機化合物 包括長鏈的丸廳和方箱廳 這說明在太陽系早期 複雜碳分子是普遍存在的 生命的化學原料在宇宙中是常見物 信使號傳回的數據 還爲我們揭示了水星更深層的祕密 水星的核心主要由鐵構成 但還含有15%到20%的硫 硫在這裏扮演着防凍劑的角色 純鐵摻了硫以後 凝固溫度大大降低 當液態鐵核的頂層溫度逐漸下降時 鐵原子開始聚集 形成了直徑只有幾微米的立方晶體 就像雪花一樣 這些鐵血晶體緩緩的下落 速度很慢 每年只有幾毫米 但持續上億年 它們就會降落到更深更熱的區域 重新融化 一場持續了數十億年的雪 在水星內部靜靜的飄落 這是宇宙賜予水星的最浪漫的祕密 正是這種奇特的雙層對流模式 使水星至今仍保持着微弱的磁場 雖然強度只有地球磁場的1% 2015年4月30日 燃料耗盡的信使號 受控墜毀於水星的表面 在水星上留下了一個籃球場大小的撞擊坑 以一種杯狀的方式完成了自己的使命 時間來到2018年10月20日 由歐洲空間局和日本宇宙航空局聯合研發的 貝皮科倫坡號 成爲人類第三個探訪水星的探測器 貝皮科倫坡號將於2026年的11月進入水星軌道 它的一個重要目標 就是以前所未有的精度測量水星軌道 進一步檢驗愛因斯坦的廣義相對論 什麼叫科學 這就是科學 科學允許不斷的去證僞 廣義相對論不斷的在證明着它的有效性 但是人類仍然要去探尋引力更深層次的祕密 也許有一天大家會發現 引力的本質完全讓人意想不到 而廣義相對論也不過是一種引力的計算方法而已 水星的最大謎題就是它的內核 我們先來看一看它的內部結構 在天文學界有一個流傳已久的比喻 如果行星們是水果 那麼地球就像是一顆桃子 地殼就像薄薄的果皮 包裹着厚厚的果肉地脈 中心是小小的果核地核 但水星可不大一樣 它更像是一顆橘子 巨大的富含鐵的果肉 也就是核心佔據了絕大部分體積 而地殼和地脈只是一層薄薄的橘皮 水星的核心佔了整個行星體積的42%至80% 而地球的核心只佔17% 按照經典的太陽星雲模型 太陽系早期是一張旋轉的氣體塵埃盤 離太陽越近溫度越高 高溫會讓易發揮物質難以凝結 留下的主要是耐高溫的岩石礦物 鐵等金屬當然也能凝結 但理論預期是岩石行星 整體偏岩石化 像地球那樣地脈佔了大頭 鐵核佔一部分 這就是桃子結構的來源 換句話說 在舊模型裏離太陽最近的水星 應該更像是一顆縮小版的地球 而不是一顆鐵核怪獸 但水星偏偏反過來 它的半徑只有地球的約三分之一 質量也遠小於地球 卻擁有一個異常巨大的金屬核心 水星極端的鐵核比例意味着 水星不是岩石裏摻了點鐵 而更像是鐵裏裹着一點岩石 問題來了 在同一片原始星雲盤裏 鐵和硅酸鹽爲什麼會發生 如此強烈的分離與集中呢 2021年 美國馬里蘭大學地質學家 威廉·麥克唐納 和日本東北大學的同孩 建立了一個新模型 提出了一個名爲太陽磁場篩選的假說 在太陽系早期 年輕的太陽 被一團旋轉的塵埃和氣體所包圍 太陽的強大磁場 就像一個巨大的磁選機 將鐵顆粒吸引到太陽系的中心區域 當塵埃和氣體團塊開始構成行星時 距離太陽較近的行星內核中 吸收的鐵自然就比距離太陽較遠的行星更多 這就是爲什麼水星 金星 地球 火星的內核含鐵量 呈現出了一個完美的梯度下降 就這樣 在太陽系形成之初 一場無聲的篩選已經開始 金屬流了下來 形成了水星這顆巨大的鐵核 而硅酸鹽遠去 在其他地方形成了別的行星 水星是太陽系形成模型裏最尖銳的異常點之一 解釋不了它 就說明太陽系的成長模型還缺關鍵變量 水星是一道提醒 宇宙並不會按我們簡化後的故事生長 恰恰相反 最小的一顆行星常常迫使我們把理論補全 水星這顆離太陽最近的行星承載着太多的矛盾 它本不該存在 卻成了太陽系最早的倖存者 用一顆佔滿自身80%的巨大鐵核 訴說着太陽系童年時期 此場篩選的往事 它微小如塵 卻用每世紀43角秒的微小偏移 撼動了統治物理學200年的牛頓力學 爲愛因斯坦的時空革命提供了最關鍵的證據 它就像我們每一個人的隱喻 帶着與生俱來的傷痕 在極端的環境中尋找平衡 在看似不可能的夾縫中頑強生存 當我們仰望夜空 看見那顆貼近太陽的小行星時 也許應該想到的不是它的炙熱或寒冰 而是這樣一個事實 人類能夠理解它 在一個冷漠而廣袤的宇宙裏 理解本身就是奇蹟 就像愛因斯坦曾說過 宇宙最不可理解之處 居然是它是可以理解的