行星运动轨道方程与水星的近日点进动问题——基于牛顿引力理论与相对论动力学理论

为了深入探讨万有引力的性质，在经典的牛顿万有引力理论的基础之上，结合相对论动力学理论与等效原理，对牛顿的万有引力理论进行了适当推广，提出了一种修正的牛顿引力方程，然后利用推广的牛顿万有引力理论推导出行星运动的轨道方程与行星在近日点进动率的一般公式，且以水星近日点进动为例，验证了该推广的合理性.     

牛顿的苹果

正我们从小就听说过这个故事。有一天牛顿在一棵苹果树下休息,一个熟透的苹果掉下来,砸到牛顿的头。牛顿恍然大悟,苹果落地是受到地球引力的吸引,月亮围绕着地球转也是受到地球引力的吸引,行星围绕着太阳转是受到太阳引力的吸引……任何物体之间都会有引力相互吸引,他把这叫做万有引力。牛顿因此发现了万有引力定律。这称得上是科学史上最重大的恍然大悟,如果这个故事是真的话。那么这个故事是真的吗?如果牛顿当时把它写下来,那当然是可信的。但是牛顿留下的手稿里并没有关于这个故事的任何记载。我们只能去找二手的材料。     

地球磁场中任意投掷角的带电粒子运动轨迹

磁暴和亚暴过程中等离子体片带电粒子的注入严重影响了地球空间环境,导致环电流的增强或衰减,形成质子极光,影响中高层大气的物理化学过程。本研究利用UBK方法计算了穿越子夜(MLT=0)不同能量和投掷角的质子和电子漂移轨道,分析了粒子的来源区域和后续轨道特征。研究结果表明,穿过L=7的投掷角为90°的质子,能量低于~2keV时会逆时针绕地球作漂移运动,能量高于~4keV时则会顺时针绕地球作漂移运动。能量高于15keV的质子的漂移轨道形成闭合轨道。穿过L=7的投掷角为90°的电子均绕地球逆时针漂移,且能量高于5keV时形成闭合轨道。穿过L=4的质子,除了10keV左右的质子,轨道都呈现闭合状态,说明从等离子片来的10keV左右的质子可以更靠近地球;穿过L=4的电子都处在闭合轨道上。投掷角越小的质子越偏向于向晨侧运动,能量越高的质子受投掷角变化影响越小,投掷角的变化对电子的轨道几乎没有影响。Kp指数较大时,粒子的运动方向随能量变化不明显,但是轨道更难闭合,并更接近地球。     

计算机数值方法证明广义相对论的行星运动理论不成立

广义相对论对牛顿引力理论进行修正,在光和行星的运动方程中引入α/r~3的项。由于数学上的困难,目前计算引力场中光和行星轨道运动时都采用近似方法,导致许多重要信息丢失。广义相对论运动方程的轨道极点由一元三次方程确定,有一个或三个实数解。外太空恒星发出的光在太阳系引力场中的轨道是单极点的。本文的严格计算证明,该极点在离太阳中心约5549米的地方。因此外太空恒星发出的光要进入太阳内部被消融,不可能被地球人观察到,地球的夜空应当是黑暗的。然而事实并非如此,广义相对论的光在太阳引力场中的两个实验检验都不成立。精确数值计算结果表明,行星绕日运动轨道存在三个实数极点,第三个极点位于太阳内部施瓦西半径外0.3毫米的地方。行星沿两个相连的三极点类椭圆的轨道运动。因此如果广义相对论正确,行星必将沿小椭圆轨道进入太阳内部被毁灭,这显然与事实不符。恒星在星系中运动时,也存在相同的问题。按照现有广义相对论行星运动方程的近似解,另外一种近似的替代图像是,水星不进入第三极点,但轨道要发生严重的形变。水星绕日一周近日点距离增加9.4万千米,远日点距离减小7.4万千米。水星绕日一周轨道的半正焦弦要改变几千米,这种改变是不对称的和可以累加的,会导致轨道严重变形最终崩溃。由此产生的巨大反差,使广义相对论关于水星近日点进动的计算变得微不足道。然而天文观察并没有发现水星轨道有这样大的改变。本文最后证明,在牛顿引力理论中考虑狭义相对论效应,会导致水星近日点百年16.5″的进动。需要解释的只剩百年26.5″,广义相对论百年43″的计算结果误差达到38.4%。如果在地球参考系的岁差和章动,以及其他行星对水星的引力摄动的计算中也考虑狭义相对论效应,还会引起更大的进动值修正。因此广义相对论对水星近日点进动的计算实际上没有意义。在广义相对论的四个经典实验检验中,与引力场方程有关的三个实验解释都是错的。因此对牛顿引力理论的修正只能按狭义相对论的方式进行,广义相对论对牛顿引力理论的修正不可能是正确的,爱因斯坦弯曲时空引力理论不成立。     

头脑体操

<正>智慧热身八大行星来相聚我们居住的地球,是一颗绕着太阳公转的行星。包括地球在内,一共有八颗行星围绕太阳运转。它们的轨道都近似圆形,并且依次排列,就像这张大图所表示的这样。只是,图中并没有标出每颗行星的名字。你能根据8个方框的描述,把八大行星的名字和它们的位置对应起来吗?海王星:在这里太阳要比地球上看到的暗900倍,非常阴冷,是距离太阳最远的行星。     

出手点高于落地点远度公式的简易推导

在体育运动中出手点与落地点不在同一水平面上的项目较多。即已知出手高度H,出手速度大小V_0,出手角度α,,求投掷物体的飞行远度。这个问题在体育系《运动生物力学》的教学中还是比较重要的。采取什么样的推导方法学生易于接受,这是大家所关心的问题。传统的做法是把出手点高于落地点的物体的运动分为A点的斜上抛运动和一个B点的斜下拋运动处理,远度则是S=S_1+S_2。如图(一)这样划分,B点分解在竖直方向的运动是竖直下抛运动。在B点,物     

凌日现象改观了对类地球行星的探索

来自NASA开普勒计划的大量研究结果,让忙于在银河系中寻找围绕着恒星运转的行星的天文学家们欣喜若狂。有些恒星的轨道上可以运行几个行星,这一发现推进了在母恒星的适居区内寻找类地球行星的探索。开普勒是一个太空观测站,它以17世纪的天文学家约翰尼斯开普勒的名字命名,约翰尼斯开普勒发现了太阳系中支配行星运动的定律。这一航天器在围绕太阳的轨道上追踪着地球运行。与每96分钟环绕地球一周的     

引力物理的现在和未来

引力普适性引力物理学是物理学各个分支中历史最长的一个。从牛顿发表《自然哲学的数学原理》算起,已经有301年的历史了。实际上,在牛顿之前,为了解释行星为什么绕着太阳旋转,早已有人提出太阳对行星有吸引力。牛顿的贡献首先在于认识到引力具有普适性,或万有性,即:任何物体无例外地都参与引力相互作用。牛顿意识到引力万有性,是在1684年底。该年11月,在《原理》的前身《论运动》的初稿中,牛顿还只考虑太阳对行星的引力,并没有考虑任何其他物体的引力。即认为,只有太阳有引力,     

资讯．前沿

据美国物理学家组织网1月30日报道，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）一研究小组利用最近发现的轨道卫星数据，解释了地球外辐射带内大量高能电子消失之谜：消失的电子在太阳增强周期活动中，被一股强大的太阳风粒子扫出了行星的势力范围。     

《流浪地球》开启中国硬科幻电影时代

 在诸位地球人对《三体》电影顾盼之时，《流浪地球》则出其不意地从太阳系逃逸，先行飞出，惹来三体人惊呼，"地球……地球……它飞来了!"将《三体》和《流浪地球》做一下融合想象是一件无比好玩和有创意的事，不过我们暂且忽略三体人惊呼时的表情，欣赏一下飞来的地球吧。这部由中国电影股份有限公司、北京文化、登峰国际和郭帆导演工作室出品，北京文化和郭帆导演工作室联合承制，根据刘慈欣同名小说改编的电影将于2019年2月5日在中国内地上映（图1）。     

地球的潮汐力

在理论推理和数理分析的基础上 ,获得了地球产生周期性涨落变形的潮汐力表达式 .由潮汐力导致的潮汐 ,其波长和振幅随地球离黄道面的远近不同而变化 ,随着距离增加 ,波长与振幅逐渐减小 ,但同一环线上振幅各点一致 ,周期约 1 2 h.地球的胀缩特性和沿轨道径向的变化速度 ,是影响地球潮汐能量的决定因素之一 ,地球公转轨道的 2 68°1 5′处为潮汐能量最大处 .地球的潮汐力是由椭圆轨道运动产生的 ,由于月球的轨道运动是以地球为焦点 ,所以在月球上可以产生受地球影响的潮汐 ,而不可以产生相反的潮汐 ,因为海水或岩浆没有以月球为焦点的轨道运动     

《流浪地球2》“硬科技”能实现吗？

<正>喷出冲天蓝光的行星发动机、洞悉一切的量子计算机、高耸入云的太空电梯……春节期间，中国原创科幻电影《流浪地球2》热映，片中层出不穷的“硬科技”元素让观众大呼过瘾。从科幻回归科学，想象中的它们能实现吗？行星发动机造得出来吗？影片中，人类计划给地球安装上万座巨大的行星发动机，推动地球开启“流浪之旅”，这些发动机依靠重核聚变产生的巨大能量。核聚变反应是将两个原子核重新结合，生成一个较重的原子核的过程，其间能够产生巨大的能量，利用这一能量推动地球，原理上是说得通的。     

太阳系外发现两颗与地球大小近似的行星

[科技日报]据《自然》杂志网站12月20日报道,美国国家航空航天局的开普勒太空望远镜首次发现了两颗与地球大小近似的行星,这也是迄今为止在太阳系外发现的最小类地行星。这一发现可谓是"开普勒计划"重要的里程碑之一。美国航天局12月20日公布的名为"开普勒-20e"(左一)和"开普勒-20f"(右一)的两颗行星与地球(右二)和金星比较的假想图     

关于"地球同步卫星运行"的几个隐含条件的讨论

在高中物理《行星运动》一节的教学中，正确引导和帮助学生找出地球同步卫星的有关隐含条件，即地球同步卫星具有五个一定、一个大小、三颗覆盖数，不仅能提高学生的解题速度和能力，帮助学生走出解题困难的误区，更重要的是使学生掌握了科学的思维方法，增强了学生发展思维的能力，从而激发学生学习物理的兴趣，真正体现出素质教育的本质-创新教育。     

新证据支持月球源于行星撞地球

美国《科学》杂志6日发表的一项新研究说，40多年前“阿波罗”飞船从月球带回的岩石进一步证实了这样的假说：月球是一颗火星大小的行星与地球相撞后形成的。     

中学物理新大纲中的几个天体问题

一、海王星与冥王星是怎样发现的1. 太阳系家族:在太阳周围,有九个较大的行星(小行星数目较多)围绕着太阳运转。它们是:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。如图(一)所示。(最近资料表明土星和天王星之间有可能存在第十颗大行星)。所有这些行星,都沿着同一方向(即所谓顺向)围绕太阳运动,其轨道成椭圆形,极近于圆。其质量大小不一,但所有行星的质量总共只有太     

火星探测新动向

火星,这颗夜晚泛着红光的亮星,天文爱好者对它并不陌生。太阳系的八大行星围绕太阳公转,火星的公转轨道位于水星、金星和地球三大行星之外,处于第四的位置。从大小上来说,火星半径为3396千米,仅仅比水星大,八大行星中从小到大排行第二。火星在许多方面跟地球相似,比如,火星上的一天约为24.62小时;火星同样斜着身躯绕太阳公转,火星的公转轨道面与赤道面夹角为25.19°,与地球为23.45°,因此火星上也会有季节变化。火星上有高山、峡谷和盆地等地形特征,这些也颇似地球。     

地球有多重

人类和万物生存的地球究竟有多重?在经过300多年旷日持久的争论之后,现在总算有了一个比较精确的答案。美国华盛顿大学贡德拉赫教授领导的一个研究小组,已正式向美国物理学会提交一份研究报告,宣布地球重量为5.972×10~(15)吨(即59亿7200万兆吨),比以前的计算要轻1000万兆吨。 早在17世纪,牛顿首次认为环绕太阳在轨道上运行的行星,是被引力维系在一起的,而这种引力又与其质量相     

天文学家首次于宜居带发现地球“堂兄弟”

正天文学家借助开普勒天文望远镜,发现了第一颗和地球体积近似、位于宜居带中的行星。不过,由于它绕转的是一颗红矮星而非太阳那样的恒星,天文学家说它只是地球的"堂兄弟",而非"孪生兄弟"。这颗行星被命名为开普勒-186F,围绕一颗距地球约500光年的红矮星运行。在这个星系中,共有5颗行星,其中开普勒-186F是最外层的一颗行星,从其距离看,正好位于可保有液态水的宜居带外层。计算表明,这颗行星的直径只比地球大10%,围绕母星的公转周期为130天。尽管其质量和组     

自然科学与社会科学的交融

提起现代科学的发展，人们自然会想到牛顿。1687年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》一书，巧妙地用万有引力定律把天上世界的斗换星移，日月运转与苹果落地选样的人间小事联系了起来，又明确地用数学的形式指出了引力是改变物体的运动状态的愿因，从而把