【編者按】

        “科學(xué)星期五”是一檔關(guān)于科學(xué)和科技的欄目，逢周五播出，給有好奇心的人。

        本期嘉賓是盧昌海先生。盧昌海本科就讀于復(fù)旦大學(xué)物理系，畢業(yè)后赴美留學(xué)，于2000年獲美國哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，目前旅居紐約。著有《那顆星星不在星圖上：尋找太陽系的疆界》《太陽的故事》和《黎曼猜想漫談》《從奇點到蟲洞：廣義相對論專題選講》等。

        水星是離太陽最近的行星——這“近”當(dāng)然是天文學(xué)意義上的“近”：水星在近日點（perihelion）和遠(yuǎn)日點離太陽的距離分別約為4,600萬公里和7,000萬公里。水星不僅離太陽近，離地球也不遠(yuǎn)，最近和最遠(yuǎn)距離分別約為7,700萬公里和2.2億公里，以最近距離而論是離地球第三近的行星 (僅次于金星和火星)。

        初看起來，離太陽近意味著能反射較多的陽光，對于行星這種自身不發(fā)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，而且也便于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(xué)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(yuǎn)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(xué)家們出的第一個難題恰恰就是因為離太陽近——太近。        

        由于離太陽太近，對于地球上的觀測者來說，水星多數(shù)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里，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里進(jìn)行，而不像多數(shù)其他天文觀測那樣能以黑暗夜空為背景進(jìn)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筑物的影響。這些都使得對水星的觀測相當(dāng)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，僅次于太陽、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(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)周期，以及地球的公轉(zhuǎn)周期之間存在著混雜了必然與巧合的微妙關(guān)系，長時間誤導(dǎo)了天文學(xué)家們。     

        具體地說，水星的公轉(zhuǎn)周期約為88天（更精確的數(shù)值約為87.969天），自轉(zhuǎn)周期約為59天（更精確的數(shù)值約為58.646天），兩者之比正好是3:2。這種存在于公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)周期間的簡單比例關(guān)系是天體力學(xué)中形形色色的共振現(xiàn)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(zhuǎn)周期的兩倍，同時也接近地球公轉(zhuǎn)周期的1/3——即1/3年。        

        什么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(xù)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(cè)且與太陽聯(lián)成一線，這時地球與水星的距離最近（“會合”）；一個稍復(fù)雜的例子則是水星處于所謂的東大距或西大距，這時從地球上看到的水星相對于太陽的分離角度——即所謂距角——最大。由于觀測水星的一個主要困難就是太陽光芒的干擾，而距角越大干擾越少，因此水星處于東大距或西大距是有利于觀測的。

        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，從而越有利于觀測。進(jìn)一步分析表明，由于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于觀測的，它們彼此間隔三個會合周期——確切地說最有利于觀測的機會共有兩組，一組是東大距，對應(yīng)于水星比太陽晚落下的情形；另一組是西大距，對應(yīng)于水星比太陽早升起的情形。（同組之內(nèi)）連續(xù)兩次最有利于觀測的機會通常間隔三個會合周期。        

        將這一結(jié)果跟水星與地球的會合周期“很接近水星自轉(zhuǎn)周期的兩倍，同時也接近地球公轉(zhuǎn)周期的1/3——即1/3年”這一巧合，以及水星公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)周期之間3:2的軌旋共振聯(lián)系起來，不難看到，（同組之內(nèi)）連續(xù)兩次最有利于觀測水星的機會之間通常間隔1年——即地球公轉(zhuǎn)1圈，或水星自轉(zhuǎn)6圈，或水星公轉(zhuǎn)4圈。由于這些都恰好是整數(shù)，因此在這個時間間隔之內(nèi)水星與地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)都幾乎恰好轉(zhuǎn)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?；蛘咄暾卣f：（同組之內(nèi)）連續(xù)兩次最有利于觀測水星的機會幾乎總是會觀測到水星的同一面。由于很多天文學(xué)家正是選擇最有利于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(guān)系把天文學(xué)家們誤導(dǎo)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(yuǎn)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(zhuǎn)周期的兩倍”這一早期天文學(xué)家并不知道的巧合，就可以解釋每次看到的水星表面往往是相同的這一現(xiàn)象。

        1882-1890年間，意大利天文學(xué)家夏帕雷利通過對水星的認(rèn)真觀測“證實”了這一猜測。1924-1929年間，希臘天文學(xué)家安東尼艾迪基于長期觀測所繪制的水星地圖也大體“證實”了這一猜測。不僅如此，這一猜測所對應(yīng)的是水星公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)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(xué)中很常見的共振形態(tài)（比如月球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)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(dǎo)了天文學(xué)家，使他們直到20世紀(jì)60年代初還以為水星總是以同一面朝向太陽。        

        天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這一猜測有問題，是因為它的一個推論——別小看推論，在科學(xué)這樣具有嚴(yán)密邏輯的體系中，對推論進(jìn)行檢驗是發(fā)現(xiàn)問題的重要途徑之一。        

        那是一個什么推論呢？很簡單：假如水星總是以同一面朝向太陽，那么這一面就永遠(yuǎn)是白天，另一面則永遠(yuǎn)是黑夜。而一個永遠(yuǎn)是黑夜的地方有個基本特征就是冷。因此，假如水星總是以同一面朝向太陽，那么這個離太陽最近的行星很可能悖論般地?fù)碛刑栂敌行巧献詈涞牡胤剑@就是推論。但是1962年，天文學(xué)家們通過微波研究發(fā)現(xiàn)了水星背著太陽那一面并沒有如想象中那樣的寒冷，而是能發(fā)射與那樣的寒冷不相稱的熱輻射。這顯示那一面很可能并不是永遠(yuǎn)背著太陽，而是殘留著白天的余溫。

        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(fā)射雷達(dá)波并觀測反射波所顯示的體現(xiàn)水星表面運動的多普勒效應(yīng)，天文學(xué)家們直接測定了水星的自轉(zhuǎn)周期，結(jié)果發(fā)現(xiàn)約為59天，只有公轉(zhuǎn)周期的2/3左右。這一結(jié)果后來得到了反復(fù)驗證，徹底推翻了“水星總是以同一面朝向太陽”這一猜測，并確立了水星公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)周期之間3:2的軌旋共振。        

        測定自轉(zhuǎn)周期并確立3:2的軌旋共振并不是水星運動帶給天文學(xué)家的的唯一難題。一個遠(yuǎn)比它更出名的難題是所謂的水星“近日點進(jìn)動”之謎。這個難題很早就被注意到了，因為限于設(shè)備，早期天文學(xué)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，并與當(dāng)時公認(rèn)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(shù)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(xiàn)偏差時，也曾有過輝煌——甚至更輝煌——的成就，即海王星的發(fā)現(xiàn)。        

        但可惡的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于背景星空是緩慢旋轉(zhuǎn)著的。這種被稱為近日點進(jìn)動的現(xiàn)象本身并不新奇，是所有行星和衛(wèi)星的軌道在不同程度上共有的。麻煩出在哪里呢？出在具體數(shù)值上——就如西諺所云：魔鬼存在于細(xì)節(jié)之中。精密的觀測及計算表明，水星近日點進(jìn)動的觀測數(shù)據(jù)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(jìn)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(jìn)去之后，雖然99%以上的觀測值都得到了解釋，那剩余的略小于1%的觀測值卻仍是個謎。這部分有多大呢？約為每100年43秒——相當(dāng)于圓周的十萬分之三。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(xì)微，但在天文學(xué)家們的細(xì)致觀測下不僅被注意到了，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于了觀測和理論計算的誤差，從而構(gòu)成了一道確鑿的難題。這道難題早在19世紀(jì)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(jīng)典驗證之一。