廣義相對論（二）：水星的軌迹

由於愛恩斯坦在 1905 年發表「狹義相對論」和後來令他獲得諾貝爾奬的「光電效應」 (photoelectric effect) 時，他並非甚麽大學教授，只是一個專利權辦事處的文員。到他在的論文得到廣泛的認識後，瑞士伯恩大學才給他正式的講師教職。所以，坊間有很多關於愛氏的迷思，例如：一個籍籍無名的人，一鳴驚人，成為改寫物理學的英雄。有很多「聰明但籍籍無名、失意、没有學歷」的人，自以為是「愛恩斯坦第二」。他們是不满學術界没有給他們機會，諸如此類，令他們的理論「不能面世」，而他們的學説足以推翻整個科學界。世界上有很多那些「妄想狂」，他們的所謂「理論」，大多過不了一些研究院生程度的批判。大部分那些人只是一些發白日夢的人而已。

事實是，愛恩斯坦没有推翻甚麽以往的科學理論，而當《廣義相對論》寫於 1917 年成時，也不是科學界出現了甚麽巨大的難題，愛恩斯坦也不是像超人般，出來解决大難題。廣義相對論的形成，是一個人對科學哲學和宇宙和諧的美學追求，面世之初仍具争議，只是恰好理論能解决一些十九世紀遺留下來没有解决的難題吧。

廣義相對論，用簡單的説法，「一個極高質量的物體是會把它周圍的時空扭曲的」。光束系行直綫的，如果空間被彎曲了，光就會被彎曲，好似「因為地球不是一幅平面的地圖，而是一個球體，所以東京到倫敦最短的距離不是地圖上的直綫，而是一個曲綫的面，飛過俄羅斯、北極和北歐的航綫」一般。在 1917年那是石破天驚的立論。

最先引証廣義相對論的是一個十九世紀帶落來的問題。那時觀測天王星 (Uranus) 軌道的科學家發現，天王性的位置跟和克卜勒 (Kepler) 的軌迹定理預測的位置開始出現誤差，所以認為有另一顆未知的行星的引力影响了天王星的軌道。1845 年，新行星終於被發現，命名為海王星 (Neptune) 。同樣，稍後人們發現水星的軌迹也跟預計的不同，他們又想重施故技，假設火神星(Vulcan) 的存在，當然天文學家找不到火神星，之後那謎團就此不了了之。

Precession of Mercury
Courtesy: Brown University, Rhode Island, US.

直到愛恩斯坦發表《廣義相對論》，用相對論的方法把太陽的質量計算水星新的軌迹，發現新的計算符合觀測到的水星軌迹。由於太陽的質量大，而水星是離太陽最近的行星，所以它受太陽質量的影响也最大，古典物理的克卜勒定理推測出來的軌迹 (orbit 1) 會因为太陽的引力而改變，因而産生差異（其近日點 (perihelion) 上圖的 p1、p2、p3 等亦因此每年不同）。廣義相對論被在 precession of Mercury 中首次証實。

Courtesy: Wikipedia

多年後，《星空奇遇記》 (Star Trek) 才把 Vulcan 這個名字變成家傳户曉，Vulcan 即冼樸 (Spock) 的家鄕。

（全文完）