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刘启新笔记 广义相对论在解释水星反常进动时的失误
[楼主] 作者:z0x1c2  发表时间:2004/09/16 10:34
点击:1336次

   广义相对论在解释水星反常进动时的失误(本文原发表在《格物》杂志上,由于陈述太简,不容易看懂,所以有两位网友反对水星反常进动的实测值为46.8角秒/百年,这次改进了陈述方式,又有具体的计算,要好懂的多.)

广义相对论的三大验证是水星反常进动、光线偏转和引力红移,后两个验证存在很多争议,只有水星反常进动与实测值符合的最好,所以广义相对论被大家所接受.但是其中有不容易发现的错误,大家搞清楚了这一错误之后,就不会有人再相信它了.

按广义相对论的计算,水星反常进动值为43角秒/百年,这是相对于黄道坐标系的进动值.(黄道坐标系是以太阳为坐标原点的天球坐标,以黄道划分天球经度,以春分点为零点,逆时针方向转,自零度到360度为黄经度数).纽康的实测值43角秒/百年是在地球上测量的,是相对于地球参考系的测量值,这两个43角秒/百年值相对的参考系不同,不能相等.因为美国天文学家纽康在1894年测量水星反常进动值时并不知道地球也存在反常进动3.8角秒/百年,这个数据是1916年由广义相对论给出的.纽康利用1861~1894年间的6次水星凌日的观测资料,发现了水星运动过程中存在不知其原因的加速现象,故称之为反常进动.因为水星凌日可以提供水星运行的准确时间.当时天体力学已经相当完善,它可以根据各大行星对水星的摄动影响来计算出水星凌日的具体时间t,实际观测的凌日时间如果与t相符合,说明水星运动正常,不快也不慢.如果实际观测的凌日时间比t提前了T秒钟,这说明水星运动存在加速现象,但其力学原因不清楚,故称之为反常进动.

水星凌日,可以从望远镜中看到一个小黑点凌于日面,这给我们提供了凌日的准确时间.即凌日的实测时间.再与理论计算时间相比较,如果两个时间完全符合,说明水星运行正常.而实际情况是:理论计算时间总是大于实测时间,即是存在ΔT,1861189433年的时间之内,累计的T 83.17,以这个时间乘以水星公转平均速度V 47.89km/,即得水星在33年的时间内多走了3983km.(83.17×47.89=3983km)这说明水星的运行也有加速现象.33年加快3983km推算,一百年就要加快12070km ,这相当于43角秒中心角所对弧长.其简便计算方法如下:

水星轨道半经=57900000km,周长=2π×57900000=363796429.3km

363796429.3km÷360=1010545.636km    每度中心角所对弧长

1010545.636km÷60=16842.42726km     每分中心角所对弧长

16842.42726km÷60=280.707121km      每秒中心角所对弧长          (1)

12070km÷280.707121km=42.99855292角秒即43角秒            

但是纽康的计算有误,因为他当时不知道地球也有反常进动值为3.8角秒/百年,这是广义相对论在1916年给出的数据.而纽康是按地球没有反常进动值计算的,假设纽康是在A点测量水星凌日的,由于地球有3.8角秒/百年的反常进动,在纽康测算的33年间,地球进动了1.254角秒,即33(3.8/100)=1.254角秒.所以纽康的观测点A其实不在A点,而在A点前面1.254角秒的地方,于是水星在凌日时实际上多走了1.254角秒的距离,这是纽康没有计算在内的.要是画了图就一目了然,但是图帖不上来.只好请网友们自己画图:

选一点S表示太阳,也是圆心S.以3.8cm为半径作圆表示水星轨道,再以10cm为半径作圆表示地球轨道.因为水星轨道半径=0.38天文单位,这样作图是符合实际比例的.在大圆 (即地球轨道)上选一点A,连接AS交小圆(水星轨道)于C点.即A,C,S三点在同一直线上,这表示地球在A点观测到水星C凌日S,这就是纽康观测到的水星于C点凌日,这时地球在A点处.由于地球有每百年3.8角秒的反常进动,在33年的时间内就应该进动1.254角秒.这是纽康没有想到的,因为当时纽康并不知道地球也有反常进动,所以地球的实际位置在A点前面1.254角秒的B点处.怎样在大圆上定出B点的位置呢?与A点靠的太近看不清楚,只好用夸大的画图法,自A点按逆时针方向转过3mm定为B点,即A,B相距1.254角秒,也就是∠ASB等于1.254角秒.这时B,C,S三点是不能在同一直线上的,即是在B点不可能看到水星在C点凌日.而事实上纽康确实在B点看到了水星凌日.这时水星就只能在BS与小圆的交点D点处,且有∠CSD=∠ASB=1.254角秒.这样水星在33年的时间内就应该多走1.254角秒的距离,每百年就要多走3.8角秒的距离,这是纽康计算时算漏了的,应该补进去,即是纽康的实测值应该是43+3.8=46.8角秒/百年.这也可以用如下的计算方法求得:

水星走过1.254角秒需要多少时间呢?水星的公转周期是87.969日=7600521.6秒,

360×60×60÷7600521.6=0.170514613角秒,即水星每秒钟转过的角秒数.转过1.254角秒的距离需要几秒钟即是1.254÷0.170514613=7.354208403秒钟.

所以纽康实测的T 83.17秒应改为△T 83.17+7.354208403=90.52408403秒

这样就可计算出水星实际进动值X:

因为已知水星平均速度为每秒47.89km,  90.52408403秒钟要走过

            90.52408403×47.89=4335.198384km         这是33年间水星多走过的距离,按此推算,每百年应多走100(4335.198384km/33)=13136.9648km

又由(1)式知水星每秒中心角所对弧长为280.707121km,则13136.9648km所对中心角为

13136.9648÷280.707121=46.79954236角秒即是46.8角秒/百年.

这就是计入地球反常进动值之后,纽康的实测值, 这与广义相对论的计算值43角秒/百年相差甚远.

声明: 另一文“按天文事实 广义相对论错了”是另外一些天文事实.

本帖地址:http://club.xilu.com/hongbin/msgview-950451-53232.html[复制地址]
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 [2楼]  作者:正和  发表时间: 2004/09/16 12:17 

请教三个问题

1、水星公转轨道近日点在观测上是如何确定的?水星凌日(相当于水星“日蚀”)显然不等于水星近日点。因为水星公转周期88天,即不到一年就有4个近日点,可100年才13次凌日。

2、如果在观测上直接确定水星近日点(一个客观的物理空间位置),近日点与观察者位置有关系吗?

3、如果不直接确定近日点,而是间接推算近日点位置及其进动,究竟如何进行的?真与地球进动有关吗?

仅仅论证水星凌日与地球进动的关系并不等于水星近日点进动与地球进动的关系。
[楼主]  [3楼]  作者:z0x1c2  发表时间: 2004/09/16 13:44 

正和先生弄错了 58.646天是水星的自转周期 不是公转周期

水星的公转周期是87.969天, 由于水星轨道面与黄道面有7度的倾角,所以水星凌日只能发生在水星轨道的升交点和降交点的地方,即是每年的5月或11月,

观测上直接确定水星近日点是不可能的事,因为水星近日点在空间没有任何标记,无法用观测直接确定,其次,严格的开普勒椭圆轨道是不存在的,各大行星的摄动力使水星轨道时时刻刻都在作微小的变化,水星近日点在一个小范围内不停地变化着,水星轨道是由无数个不同但却很接近的椭圆组成的,这在摄理论中称做瞬时椭圆法, 说水星近日点进动只是一种对进动的象征性表示法, 这是在十九世纪中期兴起的一种摄动方法,大约用了半世纪,后来就被淘汰了,但是近日点进动一说,还是一直沿流至今,当时正是勒威耶和纽康发现水星反常进动的时候,在此之前或之后发现的行星反常进动都只称做反常进动,而不称做近日点反常进动,如天王星的反常进动,海王星的反常进动,冥王星的反常进动,天文学家们还根据这些反常进动来寻找过第十大行星,但是就是从来也没有人说过天王星近日点反常进动,海王星近日点反常进动,冥王星近日点反常进动.只有水星近日点反常进动是由于当时的历史条件形成的,正如太阳的东升西落说法是由当时历史条件形成的,现在并没有去改正它.这些刘启新先生对我讲过多次,记得一些,有必要还是请刘老详细讲讲为好.

 [4楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/09/16 15:52 

反常进动的说法本身就是错误的

水星近日点的进动,人们只能测到实际进动量,而不可能知道其中哪一部分正常,哪一部分反常。网上可以查到多种水星进动数据,且相差很大。比较可信的是下面的数据。

Total precession...................5599.74 +/- 0.41  arc seconds/century
........................................................................
General precession.................5025.64 +/- 0.50
Other planet perturbation.......... 531.54 +/- 0.68
G. relativity + Solar oblatness....  42.56 +/- 0.94
见http://einstein.stanford.edu/content/relativity/q1173.html>

所谓异常进动不足水星进动的1%,行星摄动也不到进动量的10%,而水星进动90%是由水星岁差(即两分点进动)引起的。岁差如何计算?理论物理学家们不懂。天文学家们怎么算的,应该是用欧拉定理。如果你看过欧拉定理之后就会发现,其中的所有参数几乎都是未知的,其中一个重要参数,对水星自转角速度的假设也是到60年代才发现是错的,很难想象用错误的参数可以得出正确的结果。

当时的背景是年轻的天文学家曾经用假设的参数正确的算出了海王星的位置(误差1度),这是一个奇迹,假设的参数正确与否并不重要。天文学家算水星进动时,也是希望发现新行星,当然可以用假设参数,如果能成功找到新行星的话。

但不能说用假设参数算出来的进动是正常进动,其他部分为异常进动。仅仅因为当时算出来的错误结果(因为用了错误参数)正好与爱因斯坦算出来的结果相同,因此就成了爱因斯坦理论的用力证据。理论物理学家不知道怎么算的,天文学家验证过吗?为什么用错误的角速度假设能算出正确的岁差?谁能找天文学家问一下就知道了。

 [5楼]  作者:正和  发表时间: 2004/09/16 17:34 

我立即就发现并在原帖中更正了。但您却没有直接回答我的问题。

我当然知道近日点实际上只能计算,以及从摄动中提取反常进动值。

关键问题是,如何证明由水星凌日观测数据计算水星反常进动值时必然包含了地球反常进动值?

 [6楼]  作者:正和  发表时间: 2004/09/16 18:02 

未必

岁差是地球人的事。如果水星人用他们的天文观测纪年才会产生水星岁差。水星的自转似乎只能通过潮汐力影响轨道,正如地月潮汐导致地月远离。

水星的表观进动(地球人直接观测值)应当主要由地球岁差构成(50"/年,占90%)。地球的公转和自转决定了岁差,地球的广义相对论进动似乎应当在扣除岁差时一起扣除了,因为岁差是实际观测值,自然就应包含了一切原因导致的岁差。

岁差是实际观测值,摄动导致的水星进动部分由对其它行星的观测值来推算,这才是计算部分。剥离岁差背景后就是真实进动,计算出来的其它行星摄动只能解释约90%的真实进动,剩余的就是反常进动。

因此刘启新的观点很可能不正确。

我以前没有研究这个问题的细节,因为如果真有错误,早应有天文学家指出来了。

有时间我会深入考虑这个问题。

 

 

 [7楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/09/16 21:08 

岁差就是春分点进动

春分点是黄道与天赤道的交点,水星的岁差是水星轨道与水星赤道在天球上的交点(找到两天极自然能找到天赤道)。问题是爱因斯坦时代人们根本不知道水星的自转是多少,只有错误的假设,更不用说水星岁差了,即使现在人们也未必知道水星岁差,知道的只是表上的数据(来历不明)。至于天文学家,很多大学多有,为什么没人问一下呢?

 

 [8楼]  作者:和满  发表时间: 2004/09/16 21:14 

我查找过“爱因斯坦水星额外进动最后运算”,一直没查到,据说
封存在普林斯顿爱因斯坦研究所内。只是耳闻,未核实。我一直搞不清爱因斯坦怎么用“基础理论计算值”求出“天文观测值”的,这个资料如果公开了,包括我们在内的很多人可以减少很多争论。
 [9楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/09/16 22:03 

爱因斯坦的43”与天文学家算的43”不是一回事

天文学家用错误的假设数据算出了牛顿力学的理论值,与实测值(也要算出近日点及进动)的差值是43”,刚好让爱因斯坦用他的理论补上了。但是没有人核实天文学家得出的数据的正确性,但至少到60年代,人们已经知道对水星自转角速度的假设是错误的了。

 

 [10楼]  作者:哥白泥  发表时间: 2004/09/16 23:52 

又来了一位高手,如果我猜得不错,似乎只有清华小猪才有这一功底
该论坛的第三或第四位高人。地球的所有进动值的确已经计算在岁差中。
 [11楼]  作者:senpy  发表时间: 2004/09/17 02:26 

jiuguang原来是个糊涂虫 连天文科普常识都没有 还要假充内行
刘启新笔记 广义相对论在解释水星反常进动时的失误
 [12楼]  作者:正和  发表时间: 2004/09/17 09:44 

只是在岁差这一点上糊涂了

“水星岁差”如果是指“水星人”的“春分点”进动,则该进动与水星近日点进动毫无关系。

如果“水星岁差”是指“地球岁差”导致地球人观测水星时产生“地球春分点水星视位置差”,则正是应从表观进动中扣除的背景。

 [13楼]  作者:正和  发表时间: 2004/09/17 09:57 

地球的岁差固然可以建立模型去理论计算,这时就需要jiuguang所说的假设参数,但

天文学是通过观测才发现岁差存在的,因此只能用观测值来检验岁差计算模型。

因此在水星反常进动的计算中,自然就没有必要用模型计算值,而应直接采用真实的观测值。

而真实观测值,自然就包含了比模型多得多的因素的真实影响,包括地球自己的广义相对论进动。

刘启新和jiuguang都进入了误区。

查阅了早前帖子,清华小猪真是前辈高人啊,我要向他学习。

 [14楼]  作者:和满  发表时间: 2004/09/17 12:17 

明白。但“另一回事”也需要研究。只有“两个回事”都相符,才能作为“确证”。
刘启新笔记 广义相对论在解释水星反常进动时的失误
 [15楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/09/17 13:31 

实际观测值永远是正常的,异常进动从何谈起?
如果说有异常也是说与其他行星的不同,43”与异常无关。
 [16楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/09/17 13:33 

异常进动是错误的,因为用了错误假设并且没有纠正
刘启新笔记 广义相对论在解释水星反常进动时的失误
 [17楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/09/17 13:42 

水星岁差当然是水星春分点的进动,与近日点进动的关系,表中数据说的很清楚

至于地球岁差则是负值,最简单的证据是回归年小于恒星年。数据再贴一次。

Special relativity does not enter into the calculation and contributes nothing. Here are the contributions for Mercury:

Total precession...................5599.74 +/- 0.41  arc seconds/century
........................................................................
General precession.................5025.64 +/- 0.50
Other planet perturbation.......... 531.54 +/- 0.68
G. relativity + Solar oblatness....  42.56 +/- 0.94
.......................................................................

The total measured precession is 5599.74 arc seconds per century and consists of the three contributions listed. General precession is the gradual rotation of the celestial coordinate frame due to purely Newtonian effects, similar to the precession of the Earth's spin axis. The only 'relativity' in the calculation is General relativity having to do with the curvature of space-time in the vicinity of Mercury's orbit, which has nothing to do with special relativity.

 [18楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/09/17 13:46 

请不要糊里糊涂的骂人,有什么不对的地方请说
刘启新笔记 广义相对论在解释水星反常进动时的失误
 [19楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/09/17 13:50 

地球岁差是地球的一种进动,地球近日点进动是另一种进动

地球岁差是负值,最简单的证据是回归年小于恒星年。

 

 [20楼]  作者:哥白泥  发表时间: 2004/09/17 14:19 

知道,但地球的一切进动都已经包含在地球岁差的观测值中
这中观测从上古时期就开始了。相信正先生没有错。
 [21楼]  作者:和满  发表时间: 2004/09/17 14:20 

谢谢。假如这回事成立,那另一回事就不用瞎忙了。

要证明确证,要“两回事”都成立。

要否证确证,任意“一回事”不成立就行。

谢谢久广提出这个意见。我天文不行,我能看懂你的大致意思,但没法判断。你的论点是否成立。还要经过天文学家研究,才能定论。

 

 [22楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/09/17 15:06 

两个进动值不是一个值可以包括的
刘启新笔记 广义相对论在解释水星反常进动时的失误
 [23楼]  作者:正和  发表时间: 2004/09/17 15:44 

jiuguang先生的一些概念不清:回归年小于恒星年和岁差是两码事。(兼回楼下一帖)

起因完全不同,数量级也不同。抱歉我现在没时间解释。请查阅相关书籍或文章。

 [24楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/09/17 16:22 

两者的区别是一个以时间为单位,一个以角度为单位

都可以从不同角度解释,但说的都是从春分点到春分点。

 

 [25楼]  作者:zhouju008  发表时间: 2008/04/04 12:46 

z0x1c2: 广义相对论的三大验证是水星反常进动、光线偏转和引力红移,后两个验证存在很多争议

正好相反,水星反常进动的争议最多,因为影响因素太多。

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