水星轨道近日点进动

1. 基础定义：首先，我们明确“水星轨道近日点进动”这一概念。水星是太阳系最内侧的行星，其绕太阳公转的轨道是一个椭圆。椭圆上距离太阳最近的那个点，称为“近日点”。在理想的、只有太阳和水星这两个质点的牛顿力学框架下，水星的轨道应该是一个固定的椭圆，其近日点在空间中的方向（即近日点的位置）是恒定不变的。

2. 观测到的异常现象：然而，实际的天文观测发现，水星轨道的近日点并非固定不动，而是在水星的公转平面上，沿着水星公转的方向（即顺行方向）非常缓慢地移动。每完成一次公转，其近日点的位置都会比前一次公转时前进一点点。这种现象就称为“进动”。观测值约为每百年进动约5600角秒（1角秒是1度的1/3600）。

3. 牛顿力学的解释及其不足：科学家们首先试图用牛顿的万有引力理论来解释这一进动。他们考虑了太阳系内其他已知行星（主要是金星、地球和木星）对水星的引力摄动。计算结果可以解释这其中约5557角秒/百年的进动量。但是，这仍然与实际观测到的总进动量存在一个约43角秒/百年的微小差值（不同时期数据略有差异）。这个差值超出了当时的观测误差范围，无法用已知的牛顿力学和天体摄动理论来解释，成为了一个悬而未决的“水星近日点进动异常”问题。

4. 经典理论下的其他尝试：在广义相对论出现之前，天文学家们曾提出过多种假说来解释这43角秒的差值。例如，猜测在水星轨道之内是否存在一颗未被发现的行星（“祝融星”），或者太阳可能不是完美的球形而是扁平的，其周围的黄道面上存在弥漫物质阻尼等。但这些假说要么未被观测证实，要么计算出的影响量级不符，都无法令人满意地解决问题。

5. 广义相对论的革命性解释：1915年，阿尔伯特·爱因斯坦提出了广义相对论。该理论将引力重新解释为质量导致时空弯曲的几何效应。在这个全新的理论框架下，行星绕太阳的运动被描述为在弯曲时空中沿“测地线”（即局部最短路径）的运动。当爱因斯坦将广义相对论的场方程应用于太阳-水星系统时，他惊奇地发现，理论直接预言了行星轨道近日点会发生额外的进动，且对于水星而言，这个额外进动值恰好约为每百年43角秒，与观测残差完美吻合。

6. 理论核心机制：广义相对论产生这一额外进动的核心物理图像是“时空弯曲”。太阳的巨大质量使其周围的时空发生弯曲。水星在如此弯曲的时空中运动，其轨道不再是闭合的椭圆。特别是在距离太阳最近（近日点）时，时空弯曲效应最为显著，导致水星每次经过近日点后，其轨道的空间指向会发生微小的额外偏转。无数个周期累积下来，就表现为可观测的近日点进动。这个效应是所有行星都有的，但由于它与距离密切相关（与距离的负五次方成正比），因此对离太阳最近的水星最为显著。

7. 对其他天体的验证与意义：水星近日点进动问题的成功解决，是广义相对论最初、也是最经典的三大验证之一，强有力地支持了新理论的正确性。后来，对地球、金星等行星以及某些近太阳的小行星的观测，其进动值也与广义相对论的预言相符。甚至在地球-月球系统中，以及围绕其他致密天体（如脉冲星双星系统）运行的轨道上，都观测到了由于时空弯曲导致的、更为显著的近星点进动，进一步证实了广义相对论的普适性。因此，“水星轨道近日点进动”从一个令人困惑的天文观测异常，转变成了验证现代引力理论的基石性观测证据。