检验相对论的星.docx

检验相对论的星太阳系有着许许多多的奥秘如果你想要知道其中那些最大奥秘的答案，那么越接近太阳越好建议你最好到水星去，它是太阳系中的一颗“谜星”，而且还是一颗能——夜空中有一颗明亮的星，依偎在太阳的身旁它在我们的眼前晃来晃去，我们用肉眼就可以看得见它，但却很难见到它对于我们来说，这颗星拥有太多的秘密：它离太阳不远，位于太阳系最热的一端，蕴藏着许多太阳系形成时期的古老信息；它是一颗地球型行星，和地球连理同根，“血缘”相近，拥有大量尚未知晓的地球型行星的秘闻；它最接近太阳，只要能精确地测量它的运动，它就可以被看作是检验爱因斯坦的广义相对论的优质“杆秤”如果我们把这颗星比作太阳系中的一只“麻雀”，那么解剖这只“麻雀”，对于天文学、地球科学和基础物理学来说，都具有重要的意义这颗星，西方人叫它“麦邱立”，而我们中国人则称它为“水星”五个极端水星是太阳系八大行星之一，同金星、地球和火星一道，属于内行星不过，与其他内行星相比，水星显得很特殊，表现在它明显存在五个“极端”：离太阳极端近，温差极端大，体积极端小，密度极端高，人类对它考察得极端少水星是太阳系中最接近太阳的大行星，到太阳的距离最近时只有4600万公里，最远时有7000万公里，平均5800万公里，约等于地球到太阳平均距离的1/3。

由于接近太阳，受到强大的太阳引力吸引，水星时时都有被拉向太阳的危险为了抵御强大的太阳吸引力而不至于落到日面，水星依照万有引力定律在轨道上快速奔跑，利用奔跑产生的离心力平衡太阳的强大吸引力据计算，水星的运行速度平均为每秒47.89公里，88天就绕太阳运行1圈水星的直径是4880公里，不到地球的2/5，仅比月球大一点，比太阳系里最大的两颗卫星——木卫三和土卫六还小以前说在太阳系九大行星中，水星仅比冥王星大，现在冥王星已被逐出“大行星”行列，水星便成为太阳系中体积最小的“大行星”别看水星体积小，它却是太阳系里星体物质最稠密的天体水星密度为每立方厘米5.43克，略小于地球这里所说的密度不包含“引力压缩效应”，也就是说，没有考虑行星引力对行星密度的影响如果考虑“引力压缩效应”，水星密度为每立方厘米5.3克，地球为4.4克，水星密度比地球大因此，可以说水星是太阳系天体中密度最大的天体铁石“心肠”假如我们像切西瓜一样飞起一刀将行星切成两瓣，那么在其剖面上，从里到外将分为核心、幔和壳层三部分核心是行星最里面部分，因为那里温度很高，所以核心常常是熔化的流体；壳层是行星的固体外壳，一般由岩石矿构成；幔位于核心与壳层之间，熔点比壳层低，幔里的物质推测也是熔化的。

据推算，水星的核心很大，其体积约占水星体积的40％以上，而地球核心则只占到17％相比之下，水星核心在水星体积中所占比例比地球核心大1倍多这个比例在其他大行星中也是最高的有这样高的密度，水星的核心就一定含有丰富的铁地质学家估计，水星组成中约70％是金属，30％是硅酸盐矿（岩石）最近的研究表明，水星的核心是熔化的，在核心周围是厚600公里的幔水星的巨大铁核是怎么形成的呢？科学家提出了以下三种理论A.水星是由太阳周围的热气体云形成的在那里，高熔点金属可以凝结成固体，而岩石物质却因温度高而浓缩不到一起，最终留下了金属含量丰富的行星胚胎——原始水星B.在太阳系形成初期，一颗质量为原始水星1/6的微行星穿过原始水星，将其壳层和幔撞碎，从而留下巨大的铁质核心C.原始水星形成于太阳剧烈加热以前在年轻的太阳热起来时，水星外层的岩石物质被蒸发最近有科学家对水星的形成进行了计算机模拟，结果显示，在早期的太阳系周围，有巨大的小行星状天体穿越、撞击和聚集科学家据此推测，或许有一颗从火星或火星轨道外来的天体非常猛烈地撞进水星，把许多水星外层物质撞到太空中，留下的行星只有原来的一半大小，后来就变成了今天的水星水星的巨大铁核产生了磁场。

水手10号”观测暗示，水星的磁场强度约为地球磁场强度的1/100场强虽不大，但显示为全球磁场，而且像地球磁场一样是偶极场，磁倾角近似为零前不久，射电望远镜测量出，水星幔内的物质处于熔化状态并且在激烈地搅动内部有运动的熔化导电金属铁，周围有薄薄的绝缘岩石，这表明水星确有可能产生磁场什么是磁场？它具有吸引铁的性质我们都知道，吸铁石能够吸引含铁物质，表明它有磁场中学物理告诉我们，通电的螺线管也能吸引含铁物质，所以通电的螺线管也有磁场行星磁场产生原理与通电螺线管相同，都是电荷流动的结果行星磁场通常产生于行星的核心，这里有导电区域，有熔化的金属铁，而且熔化的金属铁还在作环流运动也就是说，这里有电荷流动，因此能产生磁场我们说水星有巨大的铁核，是指它的铁核相对于它的体积而言的同地球核心相比，水星的铁核依然很小，其直径只有地球核心的一半因此，在水星内部导电区域产生的磁场是比较弱的磁场是行星的保护伞，较强的行星磁场能够在行星周围形成磁层，保护行星不受太阳风粒子和宇宙线粒子的轰击地球上的生命能够安然无恙地生活、活动和工作，全靠地球磁层的保护水手10号”的测量结果表明，水星磁场强度有足够能力反射太阳风等离子体，在水星周围形成磁层。

但是，也有人提出，水星的自转很慢，59天才自转1圈，几乎只有地球自转速度的1/60这样慢的自转不太可能产生大的环流，因此难以在水星上产生较强的全球磁场另外，至今我们还没弄明白：究竟是什么东西使水星内部保持熔化状态？因此，水星磁场仍是一个谜表面如月太阳系的天体都是46亿年前由一团原始星云演化而来的，因此它们连理同根，“血缘”相近，有许多相似之处水手10号”观测表明，水星表面很像月面，有“月海”似的宽阔平原和严重撞击产生的陨击坑但是，“水手10号”毕竟只探测到44％的水星表面，还有56％的水星表面隐匿在神秘的深空因此，下面只能描述已得到探测的水星部分表面情况水星表面大部分为平原所覆盖大多数平原撞击严重，是古老平原；也有一些年轻平原，它们很少遭到严重撞击水星平原可分为两类：撞击坑交错的平原和光滑平原前者的陨击坑的直径大多在15公里以上，表明它们是古老的；光滑平原则是年轻的，上面的陨击坑很少，这种平原出现在卡洛斯盆地周围科学家在这一盆地的对面观测到一种“古怪地形”——一大片多山地形，他们认为是由撞击形成的撞击期间产生的冲击波环绕水星传播，然后聚集到一起并形成高压，将水星表面撕破，最终形成了“古怪地形”。

水星表面的主要特征同撞击有关，同太阳系其他行星一样，水星所受的撞击主要发生在两个时期：一是在46亿年前的行星形成时期，二是在38亿年前开始的所谓“最近严重打击时期”在前一时期，整个水星表面都遭到撞击并引发火山活动，从行星内部喷发出来的岩浆填进盆地，产生了“月海”般的光滑平原为了全面了解水星面貌，“信使号”已于2022年1月14日开始拍摄另一半水星表面图像，还将于2022年10月6日第二次接近水星，探测那些未被探测过的水星表面水星周围没有空气，流星和小行星可以长驱直入撞击水星表面，而这些撞击痕迹完整地保留在水星表面因此，只要画出完整的水星表面图，就能推断自它诞生以来太阳附近碰撞的频率和可怕程度，进而分析太阳系是如何形成的极地坚冰由于水星距离太阳很近，所以光学望远镜在观测水星方面作用不大从1991年开始，天文学家用雷达测量水星，即先向水星发射雷达波，然后用接收机接收从水星反射回来的回波，分析这些回波以获取水星知识在观测中，天文学家发现，雷达波射向水星极区后，接收到很强的回波，而且是反射信号这种信号与从火星极冠和木星的冰卫星上反射回来的波相似这暗示水星反射物质很可能是冰雷达回波还给出另一种信息：雷达屏幕上的亮点与在水星极区陨击坑中见到的其他特征相同，这表明冰存在于水星极区陨击坑内，这些陨击坑是“寒冷的陷阱”。

你也许会觉得奇怪：在极强的阳光照耀下，水星表面热得能将铅都熔化掉，为何在水星极区还有冰沉积呢？原来，水星没有大气保温，在太阳直射的地区，温度很高，能热到427℃，而在没有太阳照耀的地区，温度骤然降低到零下183℃水星极区陨击坑内长期处在阴影当中，所以温度很低不足为怪水星上有水吗？水星的名字很可能会让人误认为水星上也有水，但事实上水星是一个无水的世界那么，水星上的冰又是从哪里来的呢？要弄清这个问题，就需要了解水星冰的组成可惜的是，目前还不知道这些冰是由什么物质构成的，可能是水冰，也可能是其他物质，例如硫结成的冰如果水星极区的沉积物是水冰，那一定是彗星撞击留下的；如果是硫结成的冰，则可能来自水星内部，是火山活动的结果由于雷达测量的精度较差，测不出细节，所以目前还无法对此下结论信使号”飞船上装有伽玛射线和中子频谱仪，能探测水星极区沉积的氢，从而确定极区可不可能有水而这艘飞船上的紫外频谱仪和高能粒子频谱仪，则能直接测出沉积物蒸发的硫换句话说，这些仪器有可能揭示水星极区冰的组成信使号”于2022年1月14日接近水星时，飞船位于水星赤道区域上空，探测不到极区陨击坑为了探测极区陨击坑里的冰，科学家将调整“信使号”的控制装置，使它在接近水星时把探测器指向极区，以寻找冰上蒸发物的泄密信号。

按照计划，“信使号”将于2022年接近水星，对它作进一步探测2022年，欧洲空间局和日本宇航局将联合发射一艘专门探测水星的飞船——“毕匹科伦波”利用这些飞行器，人类或许最终可以揭开水星极区冰体之谜在太阳系八大行星中，水星的轨道是最奇怪的，它不像其他大行星轨道那样近似为圆形，而是扁扁的椭圆形，轨道周长很短，88天就绕太阳转1圈此外，其他大行星轨道都位于黄道面附近，而水星的轨道面则同黄道面交成7度角更有趣的是，水星轨道面还在摆动：从太阳向右摆动4.6万～7万公里后，再往回摆古怪的水星轨道引起了许多科学家的关注，它是如何形成的呢？有人认为它是水星遭受撞击的结果，但多数人认为它是引力造成的：引力轻轻一推，看似影响不大，但在太阳系形成时期，一颗行星体连续近距离通过另一颗行星体，就可能产生如此明显的作用水星的这种奇怪的轨道摆动现象被称为“水星轨道进动”，而且还被科学家看作是检验广义相对论的三大证据之一为什么研究水星轨道能够检验相对论呢？爱因斯坦指出：广义相对论效应总是要改变行星轨迹的水星最接近太阳，在太阳质量造成的弯曲时-空内外遨游，对太阳引力最敏感，水星所处的这种特殊位置必然要改变水星自己的轨道。

欧洲空间局和日本宇航局计划联合发射新的水星探测器——“毕匹科伦波”，主要目的就是检验广义相对论要检验广义相对论，关键在于精确测量水星的运动，而这又主要取决于能否精确控制飞船的位置按照计划，利用飞船上的无线电装置，“毕匹科伦波”能把自己的位置控制到精确度达到10厘米以下，而这样推算出的行星运动可以精确到10米以内，比现在的精确度（精确到几千米）提高几百倍因此，科学家热切期望“毕匹科伦波”能够成功届时，“毕匹科伦波”不仅要检验广义相对论，而且还要检验超越广义相对论的新物理理论目前，引力物理学家和宇宙学家越来越相信，测量精度一旦超过一定的水平，广义相对论就可能被打破！新近提出的“新能场”就是一个例子新能场”是在讨论宇宙论时提出来的一个全新概念宇宙论是由广义相对论推断出来的，它认为宇宙起源于一次大爆炸，爆炸后慢慢向外膨胀随着宇宙的扩大，膨胀速度逐渐减慢也就是说，宇宙是减速膨涨的这个结论早在1929年就被著名天文学家哈勃的观测结果所证明这些观测结果，哈勃还建立了著名的哈勃定理然而，在20世纪90年代中期的超新星观测中，科学家发现，宇宙不是减速膨胀，而是加速膨胀这一结论得到了包括“威尔金森微波各向异性探测器”的探测结果在内的许多观测结果的证实。

为了解释宇宙加速膨胀的原因，一些科学家提出了“新能场”（例如暗能量）假设可是，引进的每一个“新能场”都同广义相对论预计的引力行为发生了微小偏离如果“毕匹科伦波。