什么是水星凌日？

什么是水星凌日？

如果内行星和地球都在同一个平面中绕着太阳公转，那么下合时期我们会观测到它们经过太阳表面，通过思考水星的运行情况便会明白这一点。然而，事情没这么简单，因为它们在不同的平面上运行。在大行星中，水星轨道对地球轨道的偏斜最大，所以我们往往可以观测到水星在太阳的南边或者北边。

在下合时期，如果水星靠近地球轨道和水星轨道的某个交点，我们通过望远镜会发现有个黑点在太阳表面运动，科学家将这种现象称为“水星凌日”。这个现象出现的时间间隔有长有短，短则3年，长则13年。由于能够准确地观测到它进入和离开太阳圆盘的时刻，还可以借助这个时刻推导出行星的运行规律，所以天文学家们被这种现象深深迷住。

2006年11月9日水星凌日路径图。

1631年11月7日，加桑迪首先观测到了水星凌日。不过，因为他使用的工具过于简单，所以他的观测结果并没有什么科学价值。1677年，哈雷在圣海伦岛的也进行了观测，他的观测结果有了一定的价值。此后，对水星凌日现象的观测一直在持续着。

1937年5月11日，水星在太阳南部经过，而且恰好与南部边缘擦肩而过。欧洲南部可以见到这次的水星凌日，它在美洲日出之前就结束了。

1940年，美国西部出现水星凌日。

1953年，美国全境都能观测到水星凌日现象。

1677年以来，天文学家在观测水星凌日时发现了一件有趣的事情，现在它被人们叫做水星轨道进动。神奇的是，这颗行星的轨道在逐渐改变。人们认为这是受到其他行星的影响。不过，精密的理论计算表明，这并不是最主要的原因。水星近日点的变化比理论计算多出了43弧秒。

1845年，勒威耶发现了这个误差，在发现海王星之前，他的数学计算方法举世闻名。勒威耶预言说，有一颗行星位于太阳和水星之间，并将它叫做火神星。他通过计算得到了一个时间，那时火神星会经过太阳表面，只有在这个时间段上才能通过它在太阳表面形成的阴影观测到它。

1877年，在他预言的火神星经过太阳表面的时间之前，他就在地下长眠了。这也许是一件幸运的事，因为他不用亲自面对自己的失败了。因为在他预测的那一天，许多人用望远镜对着天空，想要目睹火神星的风采，然而它始终没有出现。

1860年，法国的一位乡村医生勒斯加波通过一个小型望远镜观测太阳表面，他说看见了火神星经过太阳表面。在同一天，一位著名的天文学家仅仅观察到一颗太阳黑子。那位医生可能是将这粒黑子当成了火神星。在此后的许多年中，在各个地方都有不少天文学家观测太阳，但始终没有发现火神星的身影。

不过，科学家依然相信这个区域中存在着许多小行星，只不过因为它们太小了，当它们经过太阳表面时我们才无法观测到。如果真是这样的话，意味着太阳光会遮住小行星，所以我们很难看见它们。但是当出现日全食时，我们依然有机会见到它们。这时天上没有其他的光芒，应该能够观测到这些小行星。于是，观测者常常使用高级摄影仪，选择在日全食时观测它们。

1901年的日全食时，观测者在太阳附近拍摄到50多颗星星，甚至有一些是八等星，但都是已被发现的星星。因此，天文学家断定，水星轨道圈内最亮的星星就是八等星了。但几十万颗这样的小行星才可能影响水星，使其轨道偏离，这么多的小行星一定会把它们所处的那一块天空照得非常明亮。事实证明，某些人认为的水星近日点移动是受到更内行星的影响的观点是错误的。假设这颗行星确实存在，除了上述问题之外，它肯定还会让水星或者金星（或者两者）的交点发生一些的变化。

2012年6月6日21世纪第二次“金星凌日”天象示意图。

20世纪初期，天文学家们一直被这个问题所困扰，直到1916年，爱因斯坦发表了广义相对论才解决了这个难题。在经典力学中，引力指的是具有质量的两个物体间的相互吸引作用。不过，爱因斯坦凭着直觉推测，引力作用要比我们所认为的更加普遍、更加有趣。

在解释水星轨道进动之前，我们先通过一个假设性实验来了解一下爱因斯坦的“等价性原理”。

首先，我们需要一个勇敢的助手，然后将他关在一个与外界完全隔离的屋子中，我们送给他一个小球用来消磨时光。他经过多次实验发现，小球在自由下落的过程中，相对于地面的加速度是9.8米/秒2。因为地球引力所引起的加速度正好是9.8米/秒2，根据这一点他推断出自己位于地球上。等到这个人熟睡之后，我们轻轻地将他转移到一架没有丝毫震动的飞船中，船舱的样子看起来与那间小屋子一模一样。在他睡醒之前，我们将飞船发射出去，而且飞船的加速度正好是9.8米/秒2。我们想象一下，当这个助手醒来之后，他让小球做自由落体运动，而小球相对于地面的加速度依然是9.8米/秒2。于是，他便得推导出一个错误的结论，他以为自己依然待在地球上，而不是做加速运动的飞船中。

我们发现，从某个方面来说，引力和加速度可以相互替换。如果我们选择一个合适的参考系，引力将会转化为一种加速度，这与被吸引的物质没有关系，而是与空间本身有着很大关系。对于空间的不同部分来说，因为受到大质量物体的影响，可能会被赋予不同的加速度。于是，空间变得弯曲了，不再是经典力学中所描绘的那样平坦。

在太阳附近，空间的弯曲程度比较严重。于是，水星在这个巨大的翘曲空间运行时，不是沿着标准的椭圆轨道前进，这引起了水星近日点上的进动。根据广义相对论，经过精密计算后得出的结果会比按照经典力学计算得出的结果多出43弧秒，这完全符合实际观测到的数据。这个事实证明广义相对论是正确的。