(Tranzitul lui Mercur pe 8 noiembrie 2006 cu petele solare # 921, 922 și 923.)
În 1859, Urbain Le Verrier a descoperit că precesia orbitală a planetei Mercur nu era exact ceea ce ar trebui să fie; elipsa orbitei sale se rotea (precesând) puțin mai repede decât a prezis teoria tradițională a gravitației newtoniene, chiar și după ce toate efectele celorlalte planete au fost luate în considerare. Efectul este mic (aproximativ 43 arcsecunde de rotație pe secol), dar cu mult peste eroarea de măsurare (aproximativ 0,1 arcsecunde pe secol). Le Verrier și-a dat seama imediat de importanța descoperirii sale și a provocat astronomii și fizicienii să ia în considerare acest lucru. Câteva explicații clasice au fost propuse, cum ar fi praful interplanetar, oblația neobservată a Soarelui, o lună nedetectată de Mercur sau o nouă planetă numită Vulcan. După ce aceste explicații au picat, unii fizicieni au fost duși la ipoteza mai radicală că legea gravitației inverso-pătrată a lui Newton a fost incorectă. De exemplu, unii fizicieni au propus o lege de putere cu un exponent ușor diferit de 2.
Alții au susținut că legea lui Newton trebuie suplimentată cu un potențial dependent de viteză. Dar aceasta ar fi implicat un conflict cu dinamica celestială newtoniană. În tratatul său cu privire la mecanica cerească, Laplace arătase că, dacă influența gravitațională nu acționează instantaneu, atunci mișcările planetelor nu vor conserva exact impulsul (și, prin urmare, un impuls ar trebui să fie atribuit mediatorului interacțiunii gravitaționale, analogă cu atribuirea unui impuls mediatorului interacțiunii electromagnetice.) După cum se vede dintr-un punct de vedere newtonian, dacă influența gravitațională se propagă la o viteză finită, atunci în toate punctele în timp o planetă este atrasă de un punct în care Soarele a fost cu ceva timp înainte, și nu spre poziția instantanee a Soarelui. Pe presupunerea fundamentalelor clasice, Laplace arătase că, dacă gravitația se va propaga la o viteză de ordinul vitezei luminii, atunci sistemul solar ar fi instabil și nu ar mai exista de mult timp. Observarea faptului că sistemul solar este destul de vechi îi permitea să pună o limită inferioară la viteza gravitației care s-a dovedit a fi cu mai multe ordine de mărime mai rapidă decât viteza luminii.
Estimarea lui Laplace pentru viteza gravitației nu este corectă într-o teorie a câmpului care respectă principiul relativității. Deoarece se combină câmpurile electrice și magnetice, atragerea unei încărcări punctuale care se mișcă la o viteză constantă este spre poziția instantanee extrapolată, nu spre poziția aparentă pe care pare să o ocupe atunci când ne uităm la ea. Pentru a evita aceste probleme, între 1870 și 1900 mulți oameni de știință au folosit legile electrodinamice ale lui Wilhelm Eduard Weber, Carl Friedrich Gauss, Bernhard Riemann, pentru a produce orbite stabile și pentru a explica schimbarea periheliilor orbitei lui Mercur. În 1890, Lévy a reușit să facă acest lucru prin combinarea legilor lui Weber și Riemann, prin care viteza gravitației este egală cu viteza luminii din teoria sa. Și într-o altă încercare, Paul Gerber (1898) a reușit chiar să deducă formula corectă pentru schimbarea periheliului (care era identică cu formula folosită mai târziu de Einstein). Cu toate acestea, deoarece legile fundamentale ale lui Weber și ale altora au fost greșite (de exemplu, legea lui Weber a fost înlocuită de teoria lui Maxwell), aceste ipoteze au fost respinse. O altă încercare a lui Hendrik Lorentz (1900), care a folosit deja teoria lui Maxwell, a produs o schimbare de periheliu, care era prea mică.
(Precesiunea periheliului lui Mercur)
Sub fizica newtoniană, un sistem cu două corpuri constând dintr-un obiect care orbitează o masă sferică ar fi urmărit o elipsă cu masa sferică într-un focar. Punctul de cel mai apropiat, numit periapsis (sau, deoarece corpul central al sistemului solar este Soarele, periheliu), este fixat. O serie de efecte în sistemul solar face ca periheliile planetelor să preceseze (să se rotească) în jurul Soarelui. Cauza principală este prezența altor planete care perturbă orbita reciproc. Un alt efect (mult mai puțin semnificativ) este oblația Soarelui.
Mercurul se abate de la precesiunea prezisă din aceste efecte newtoniene. Această rată anormală de precesiune a periheliului orbitei lui Mercur a fost recunoscută pentru prima dată în 1859 ca o problemă în mecanica cerească. Reanaliza observațiilor temporale disponibile a tranzitelor lui Mercur peste discul Soarelui din 1697 până în 1848 a arătat că rata reală a precesiunii nu era de acord cu cea prognozată din teoria lui Newton de 38″ (arc secunde) pe secolul tropical (mai târziu reevaluată la 43″ de Simon Newcomb în 1882). Au fost propuse câteva soluții ad-hoc și în cele din urmă nereușite, care aveau tendința de a introduce mai multe probleme.
În relativitatea generală, această precesie sau schimbarea orientării elipsei orbitale în planul ei orbital se explică prin gravitație fiind mediată de curbura spațiului. Einstein a arătat că relativitatea generală este de acord cu cantitatea observată de schimbare a periheliilor. Acesta a fost un factor puternic care a motivat adoptarea relativității generale. Recent, Friedman și Steiner au obținut schimbarea periheliilor observate și și-au explicat originea fără a distruge spațiul folosind modelul dinamicii relativiste newtoniene.
Deși măsurătorile anterioare ale orbitelor planetare au fost făcute cu telescoape convenționale, măsurători mai precise sunt acum făcute cu radar. Precesiunea totală observată a Mercurului este de 574,10″±0,65 pe secol față de ICRF inerțial. Această precesie poate fi atribuită următoarelor cauze:
| Cantitate (arcsec/secol iulian) | Cauza |
|---|---|
| 532.3035 | Remorcarea gravitațională ale altor corpuri solare |
| 0.0286 | Oblația Soarelui (momentul cvadrupol) |
| 42.9799 | Efecte gravitoelectrice (asemănătoare Schwarzschild) |
| −0.0020 | Precesiune Lense–Thirring |
| 575.31 | Total estimat |
| 574.10±0.65 | Observat |
Corecția cu 42,98″ este de 3/2 multiplu față de predicția clasică cu parametrii PPN γ = β = 1. Astfel, efectul poate fi explicat pe deplin prin relativitatea generală. Calculele mai recente, bazate pe măsurători mai precise, nu au schimbat semnificativ situația.
În relativitatea generală, schimbarea periheliilor σ, exprimată în radiani per revoluție, este dată de:
σ = 24π3L2/T2c2(1 – e2),
unde L este semi-axa mare, T este perioada orbitală, c este viteza luminii și e este excentricitatea orbitală. Această formulă oferă expresia exactă pentru schimbarea periheliului derivată din dinamica newtoniană relativistă.
Celelalte planete se confruntă și cu schimbări de perihelii, dar, deoarece sunt mai departe de Soare și au perioade mai mari, schimbările lor sunt mai mici și nu au putut fi observate cu exactitate decât după Mercur. De exemplu, schimbarea periheliului orbitei Pământului datorită relativității generale este de 3,84″ pe secol, iar la Venus este de 8,62″. Ambele valori au fost măsurate acum, cu rezultate bune în acord cu teoria. De asemenea, schimbarea periapsisului a fost măsurată pentru sistemele binare pulsar, cu PSR 1913+16 în valoare de 4,2º pe an. Aceste observații sunt în concordanță cu relativitatea generală. Este, de asemenea, posibil să se măsoare schimbarea periapsisului în sistemele de stele binare care nu conțin stele ultra-dense, dar este mai dificil de a modela efectele clasice exact – de exemplu, alinierea rotației stelelor la planul lor orbital trebuie să fie cunoscute și e greu de măsurat direct. Câteva sisteme, cum ar fi DI Herculis, au fost măsurate ca pentru testarea relativității generale.
Lasă un răspuns