廣義相對論(入門)

近日點進動

一顆在完美牛頓軌道上繞著孤獨太陽運行的行星,會永遠描出同一個閉合的橢圓,它最接近太陽的那一點,即近日點,固定在空間中。廣義相對論破壞了這個完美的閉合:橢圓本身緩緩旋轉,於是近日點隨每一圈公轉往前爬一點,路徑描出一朵緩慢轉動的玫瑰花結。對最內側的行星水星而言,這個相對論性的爬移雖小卻真實,而對它的解釋正是愛因斯坦理論的第一項勝利。

廣義相對論所預言、疊加在任何牛頓效應之上的額外旋轉為 Delta phi = 6 pi G M / (c^2 a (1 - e^2)) 弧度每一圈公轉,其中 a 是半長軸,e 是離心率。對水星而言,這算出來約為每世紀 43 角秒。它之所以出現,是因為在史瓦西幾何中,主宰軌道的有效位能多了一個額外項,隨 1 / r^3 變化,這是牛頓的平方反比律所沒有的,而正是那一項使軌道無法閉合。

這個結果的重要性是歷史性且決定性的:不像光偏折是一個嶄新的預言,那每世紀 43 角秒是一個已知卻無法解釋的反常。天文學家早已測得水星近日點在前移,而在扣除其他行星的每一次牛頓推擠之後,剩下一個頑固的殘差,無人能夠交代。愛因斯坦的理論不含任何可調參數,卻恰好給出那個數字。誠實的表述很要緊:觀測到的總進動約為每世紀 5600 角秒,其中絕大部分是尋常的牛頓擾動與參考系本身的轉動;廣義相對論只負責剩下的那 43 角秒。

在水星觀測到的每世紀約 5600 角秒近日點前移中,約 5025 角秒來自地球自身參考系的進動,532 角秒來自其他行星的牽引;最後那 43 角秒,數十年無法解釋,正是廣義相對論所補上的。

著名的 43 角秒是那小小的相對論性殘差,而非整個進動。

廣義相對論並沒有解釋水星的全部進動,只解釋了牛頓重力所剩下、每世紀 43 角秒的那個反常。把 43 說成總量是常見的過度簡化;其餘幾乎全是尋常的天體力學。

又稱
perihelion advanceapsidal precession近日點漂移