第二章　水星

我们现在要依照距太阳远近的次序，开始叙述我们所知的大行星的一切了。第一个轮到的就是水星，这不仅是一颗离太阳最近的行星，而且是八大行星中最小的一颗——如果不是因为它地位的缘故，我们几乎不能将它列在大行星中。它的直径只比月亮大出50%，但其体积是与其直径的立方成比例的，因此它比月亮的体积大了3倍多。

水星要算是大行星中轨道偏心率最大的一颗——虽然有些小行星在这方面要超过它（下面就要叙及）。因此它离太阳的远近也有很大的变化，在近日点上这距离不到4 700万千米；在远日点上其距离竟大于6 900万千米。它绕日的公转周期不到3个月——更确切些说，88日，因此它在一年之中绕太阳4次有余。

在地球绕太阳一次的时间中水星绕了4次有余，水星与太阳的“合”也依照一个虽不一致却很规则的周期。为了表明其视运动的规律，且假设图31中的内圆代表水星轨道而外圆代表地球轨道。当地球在E点而水星在M点时，水星正与太阳在下合点上。3个月之后它又回到M点，但这时却并无下合，因为同时地球也在轨道中运动了。当地球到达F点而水星到了N点时，又有了下合。这种由一个下合到另一下合的周期运动叫做行星的“会合周”（synodic revolution）。水星的会合周比实际公转周期多出1/3不到一点；这就是说，MN弧略小于圆周的1/3。

图31　水星合日

现在再假定，在图32中地球在E点，水星不在M点，却几乎到了最高处的A点上。这时从地球的角度看来，它在离太阳视在距离最远的一点上——用术语来说，在“大距”上。如果水星在太阳之东，就会在太阳之后沉没，我们可以在日落后半小时至一小时内在西天的薄霭中看到它明亮的身影。在相反方向的C点附近，那就到了太阳之西。于是在日出前升起，这时候，水星就会闪耀在东天的晨曦中。所以，当作昏星来看时，最好在东大距时（春季）；当作晨星来看，水星在西大距时（秋季）就更利于观测。

图32　水星的距角

水星的外观

用望远镜观测水星的最佳时刻，是春季和暖的傍晚，或者在秋天清凉的黎明。假定它在太阳之东，一般在下午任何时候都可用望远镜看见它，但这时空气通常都被太阳强烈的光线搅乱了，因此很难作出令人满意的观测。下午晚些时候空气较稳定，就比较利于观测了。可是到了日落之后，它却又是在不断增厚的大气之中，也越来越模糊。正因为这种种不利因素，水星成了很难如意观测的行星，而观测者所描述的水星表面也就千差万别了。

在历史上很长的一个时期内，几乎所有的观测者都认为水星的自转周期是无法确定的。到了1889年，在意大利北部美丽的天空中，斯基亚帕瑞利（Schiaparelli）用精巧的望远镜对水星做了细致的观测，结果说该行星的状貌天天毫无变化。他因此得到结论，以为水星永远以同一面对着太阳，正如月亮之于地球一样。在亚利桑那（Arizo na）的弗拉格斯塔夫亚天文台（Elagstaff Observatory），罗尼尔（Lowell）的观测也得到了同样的结论。但到了1965年，当时最先进的多普勒雷达表明，这种理论实际上是错误的。现在我们认为水星在公转两周的同时自转三周。

因为水星对太阳的位置常有变换，它就也像月亮一样有圆缺的位相变化。我们能看到被太阳照耀的那半球，可背向太阳的黑暗面却是我们看不到的。当水星上合时（太阳在地球与水星之间），明半球完全对着我们，这颗行星的表面就犹如满月般的圆盘。随后它经由东大距移向下合，向着我们的暗半球部分就越来越多，明半球部分则越来越少。但由于它离我们越来越近，所以我们反而可以更好地观测仍然明亮的部分。到了下合的时候，暗半球完全对着我们，如同新月一样，在它应该出现的位置上，只留下了一个无法观测的黑暗阴影。在通过黑暗的下合期之后，水星经由西大距返回上合的位置，重新成了一轮“满月”。

图33　信使号水星探测器拍摄的水星

很久以来，人们都认为水星上没有大气。因为我们根本就观测不到其对日光的折射效果。可现在的研究表明，水星拥有稀薄得几乎不存在的大气层，由太阳风带来的原子构成。水星温度被太阳烤得如此之高，使得这些原子迅速地逃逸到太空中。于是，与地球和金星稳定的大气相比，水星的大气频繁地被补充更换。

水星凌日

仔细想象一下水星的运行情况，我们就会明白，假如内行星和地球在同一平面上绕太阳而行，那么每次下合时我们都能看到其从太阳表面经过。但事情并不是如此简单，因为两颗行星不是在同一平面上旋转的。在所有大行星中，水星轨道对地球轨道的偏斜最大，因此我们常常看到它在南边或北边与太阳擦肩而过。如果它在下合时正好接近了地球与水星轨道的一交点，我们就可以从望远镜中看到一粒黑点经过太阳表面。这种现象叫做“水星凌日”（Transit of Mercury），其相隔时间从3年到13年不等。由于可以极准确地测定其进入和离开太阳圆盘的时刻，并可以通过这时刻推导出这行星的运动规律，所以天文学家对这种现象都有很大兴趣。

加桑迪（Gassendi）在1631年11月7日第一次观测到了水星凌日。可是由于他的工具非常简陋，观测结果已毫无科学价值了。较好的观测结果是哈雷（Halley）1677年在圣海伦岛（St.Helena）上得到的。从此以后，这种凌日的观测就很有规律地继续了下来。

1937年5月11日，水星擦过太阳南部边缘。在欧洲南部可见，但在美洲却在日出之前。

1940年11月10日。美国西部可见。

1953年11月14日，美国全境可见。

1677年以来，通过对水星凌日的观测，人们发现了一个现在被称为水星轨道进动的有趣事实。不可思议的是，这颗行星的轨道居然是慢慢改变的！其主要原因一度被认为是其他已知行星的影响。但精密的理论计算表明，这并不是主要原因，水星近日点的变动比理论计算值更前进了43角秒之多。这一点误差是1845年被勒威耶（Leverrier）发现的——他以在海王星发现之前，以数学方法计算其位置而闻名。勒威耶试图重现辉煌，预测说在太阳与水星之间还有一个行星，并取名为火神星。他计算出火神星会很罕见地越过太阳盘面（只有这时才有希望由它投在日面上的阴影来探测它）。但在1877年，刚巧在他预言的火神星越过日面之前，他去世了，或许这是一种幸运，他没有得知自己的失败。那一天所有的望远镜都对着太阳，但是火神星固执地拒不出现。另外，大约在1860年，法国一名乡间医生勒斯加波（Lescarbault）用一架小望远镜观测了太阳表面，他宣称观测到期待中的那颗行星从太阳盘面上经过。而另一位较有经验的天文学家在同一天却只看到一颗平常的黑子。大概就是这黑子哄骗了那位医生天文学家。这风波过后的许多年内，有不少天文学家在好几个地点天天观测太阳，为太阳摄影，却一点也没有发现这一类东西的存在。

可是，我们仍然可以认为有些小行星在这区域中运行，只是它们太渺小了，因此经过太阳面时竟逃出了我们的视察。如果真是这样，它们的光亮一定完全被天光遮去，所以平常看不见。可是我们还有机会，就是在日全食的时候，天上一点别的光也没有，应该能看出来的。于是当日全食时就常有观测者来寻找它们，并且用上极有力的摄影仪。终结的答案毕竟在1901年日全食时得到了——那时在太阳附近拍摄到约50颗星，其中有的只是8等星，但都是我们所已知的。因此大致可以肯定在水星轨道圈内绝没有比8等星光更亮的行星了。像这样的小行星非有几十万颗是不能造成水星偏离轨道的，这么多的小行星定会把那一块天照明得比任何处天空都亮的。这结果可使我们得出结论来反对那种认为水星近日点移动是由于更内行星的见解了。要假定这颗内行星存在，除上述困难外还有一点，如果有这颗行星，它一定要使水星或金星（或两者兼有）的交点变动的。

这个谜团，一直困扰着20世纪初的天文学家，直到1916年，爱因斯坦提出了他的广义相对论。在牛顿的经典力学中，引力是两个具有质量的物体之间的互相吸引作用。但是爱因斯坦却凭直觉意识到，引力的作用比我们能想象的更有意思。

在说明水星轨道进动之前，让我们先来做一个思想实验，来看一看爱因斯坦的“等价性原理”。

假定我们现在请了一个勇敢无畏的助手，然后，我们把他关到了一个与外界隔绝的小屋子里——为了消除他的寂寞，我们给了他一个小球。他发现，当他松开手让球自由下落的时候，小球相对地面运动的加速度是9.8米/秒2——根据这一点，他判断他是在地球上，因为这个加速度是地球的引力所引起的正常加速度。

然后，我们在他熟睡后把他送进了一架飞起来没有任何震动的飞船，船舱的布置则和那间小屋子完全一样。在他醒来之前，将飞船发射出去，并且让飞船以9.8米/秒2的加速度往外太空飞去。于是我们可以想象一下那个可怜虫醒来时的情况了——他同样拿着小球，然后松开，发现小球相对地板还是9.8米/秒2的加速度。这时候，他立刻就得到了一个错误的结论，他以为他仍然在地球上待着，而不是在遥远的外太空。

我们发现，实际上，从某个角度说，引力和加速度是可以互相替代的。如果我们选择一个合理的参照系，那引力就可以转化成一种局部的加速度——这与被吸引的物质是什么无关，而与空间本身有关——空间的不同部分，可能由于一个大质量的物体的存在，而拥有不同的等效加速度——于是，空间不再是牛顿经典体系中那种平坦的样子，而是被弯曲了。

在太阳附近，空间弯曲的程度比较明显。于是，水星在这个被太阳巨大引力而扭曲的空间中运行，就不再是沿严格的椭圆轨道，从而造成了水星轨道近日点的进动——按照广义相对论提出的公式，精密计算的结果恰好比按牛顿经典力学计算的结果多了43秒，与实际观测到的情形相符合。这也证明了广义相对论的正确性。