【編者按】

        “科學星期五”是一檔關于科學和科技的欄目，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旦大學物理系，畢業(yè)后赴美留學，于2000年獲美國哥倫比亞大學物理學博士學位，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”當然是天文學意義上的“近”：水星在近日點（perihelion）和遠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，最近和最遠距離分別約為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：水星的公轉與自轉周期，以及地球的公轉周期之間存在著混雜了必然與巧合的微妙關系，長時間誤導了天文學家們。     

        具體地說，水星的公轉周期約為88天（更精確的數(shù)值約為87.969天），自轉周期約為59天（更精確的數(shù)值約為58.646天），兩者之比正好是3:2。這種存在于公轉與自轉周期間的簡單比例關系是天體力學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周期的兩倍，同時也接近地球公轉周期的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，對應于水星比太陽晚落下的情形；另一組是西大距，對應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。        

        將這一結果跟水星與地球的會合周期“很接近水星自轉周期的兩倍，同時也接近地球公轉周期的1/3——即1/3年”這一巧合，以及水星公轉與自轉周期之間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1圈，或水星自轉6圈，或水星公轉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)水星與地球的公轉與自轉都幾乎恰好轉回到同一方位。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。        

        這種微妙關系把天文學家們誤導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“很接近水星自轉周期的兩倍”這一早期天文學家并不知道的巧合，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，意大利天文學家夏帕雷利通過對水星的認真觀測“證實”了這一猜測。1924-1929年間，希臘天文學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，這一猜測所對應的是水星公轉與自轉周期之比為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”，本身也是天體力學中很常見的共振形態(tài)（比如月球的公轉與自轉就是一個例子）。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了天文學家，使他們直到20世紀60年代初還以為水星總是以同一面朝向太陽。        

        天文學家們發(fā)現(xiàn)這一猜測有問題，是因為它的一個推論——別小看推論，在科學這樣具有嚴密邏輯的體系中，對推論進行檢驗是發(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，那么這一面就永遠是白天，另一面則永遠是黑夜。而一個永遠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擁有太陽系行星上最寒冷的地方，這就是推論。但是1962年，天文學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，天文學家們直接測定了水星的自轉周期，結果發(fā)現(xiàn)約為59天，只有公轉周期的2/3左右。這一結果后來得到了反復驗證，徹底推翻了“水星總是以同一面朝向太陽”這一猜測，并確立了水星公轉與自轉周期之間3:2的軌旋共振。        

        測定自轉周期并確立3:2的軌旋共振并不是水星運動帶給天文學家的的唯一難題。一個遠比它更出名的難題是所謂的水星“近日點進動”之謎。這個難題很早就被注意到了，因為限于設備，早期天文學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，并與當時公認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著的。這種被稱為近日點進動的現(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：魔鬼存在于細節(jié)之中。精密的觀測及計算表明，水星近日點進動的觀測數(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微，但在天文學家們的細致觀測下不僅被注意到了，而且遠遠大于了觀測和理論計算的誤差，從而構成了一道確鑿的難題。這道難題早在19世紀中葉就被注意到了，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。