水星是离太阳最近的行星,它有帮助我们研究引力的历史。阿尔伯特·爱因斯坦证明,牛顿的运动定律在处理非常大的质量时会失效。他创造了广义相对论来解释这个问题:引力是由太阳这样的巨大物体引起的时空扭曲的表现。水星的轨道最清楚地显示出这种扭曲--事实上,在爱因斯坦的相对论之前,科学家们对它的奇异性感到困惑,甚至把它归因于引力效应。美国的一个研究小组正在使用水星轨道的新测量数据来了解更多关于太阳的信息,以及爱因斯坦的理论本身。
研究人员开始对爱因斯坦的等效原理进行迄今最大的测试。正如麻省理工学院的这项研究的作者安东尼奥·热诺瓦所描述的那样:“你无法区分均匀的引力场和加速的参照系。”就像你在电梯里时一样:你可能觉得引力或多或少地对你有吸引力,但实际上你只是在加速。
测试这个原理需要比较两种计算质量的方法:一种是基于物体在均匀引力场中的行为方式,另一种是基于推动该物体所需的力。这基本上是比较你在地球上的重量和如果你在火箭飞船中加速以完美再现地球重力(大约每秒10米)。
如果这些质量值是相同的,爱因斯坦的等效原理就成立了。在这种情况下,研究人员感兴趣的是太阳系质量中心所有的东西,即使是太阳的中心,都会绕着它转。如果我们测量中心的位置与太阳自身和太阳上其他行星的引力的总和所预测的位置相同,那么等效原理就成立了。如果这些位置不同,那就意味着你用来计算位置的物体的质量会有所不同--那么爱因斯坦的等效原理是错误的。
水星受太阳引力的影响如此之大,通过长期测量水星的轨道,科学家们可以发现太阳引力的理论预测与实际观测之间的微小差异。谢天谢地,我们让信使号探测器绕水星轨道进行了这些计算(它于2015撞上了水星)。
“信使号”的数据显示,爱因斯坦当然没有错。有了更好的设备,科学家们有一天可以更精确地进行这些测试,或许还能找到一个与他的理论略有不同的地方。不过,这种情况还没有发生。
信使小组还能够根据太阳的质量损失情况,以及如何使行星的轨道变宽,来确定太阳的重力随时间的变化。七年的数据,再加上太阳如何耗尽氢燃料的观测,显示出太阳对水星的引力是缓慢的,每次都是轻微的。这是“太阳质量损失的第一次实验观测”之一。
这种影响很小,可能会导致地球轨道的展宽,相当于一年不到一英寸。这几乎没有什么意义,对你的日常生活也不重要。热诺瓦说:“这种信息并不是什么值得关注的问题,但它可能对监测太阳本身非常有用。”或许它可以给研究人员另一种测量太阳内部行为的方法。
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