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第十二节 利用引力称量行星

不过我们要始终记得,这块肉就算是拿到了火星或者是太阳上称重,尽管在太阳上它的重量达到了惊人的400千克,但是它依然和在地球上是一样多的,所以,对于天文学家来说一颗行星的重量是没有意义的,它随着称量的地方的不同而不同。他们说的是一颗行星的质量,也就是行星有多少物质,不管你在什么地方称它,这个“物质的量”是不变的。

现在说回测定行星,我们已经知道,一个天体的质量可以通过它对另一个天体的引力来测定。目前有两种方法来测定行星间的引力,一是测出它对邻近行星偏离独行时的轨道的吸引力。知道了这个误差,我们就能知道吸引力的大小,从而计算出这颗行星的质量。

说到这里,读者们可能会立刻发现问题的所在,是的,

想要得到这样的结果需要的数学计算非常精密而且复杂。不过如果有卫星环绕的话,就可以有更为简单的方法了,因为通过卫星运动就可以测出行星的吸引力。牛顿第一定律告诉我们,不受任何力作用的运动物体一定是保持不变的速率沿直线运动的。所以对于一个沿曲线运动的物体,一定有其他的力加在它的身上,曲线运动的方向与力的作用方向相同。举个例子,在地球上抛出一块石头,如果地球对它没有产生吸引的话,它就会沿着抛出的路线一直运动,直到完全离开地球。但是它没有,而是一面前进一面向下,直到落到地面上来,而石头的抛出速度越快,走得越远。这一点在一颗发射出去的子弹上可以看出来,因为它的前一部分曲线已经近乎成为直线了。假设我们在高山顶上水平发射一枚炮弹,炮弹按照每秒8千米的速度运行,在运行中,这枚炮弹如果没有受到空气阻力的影响的话,那么它的路径就会和地球表面一致,像遵从着自己的轨道运行的小卫星一样绕着地球旋转,永远也不会落到地面上来。如果真的能制造出这样的情景的话,只要知道这枚炮弹的速度,天文学家就可以算出地球的吸引力。

卫星的运动与例子中的炮弹是相似的。如果观测者处于火星上,就像我们可以根据观测周围物体的下落一样,他只要量出月球的轨道就能知道地球的吸引力(附注:事实上,卫星的运行情况只和主星的质量有关,而与卫星质量无关。具体推导如下:向心力与引力相当,即mv2=GMm/r2,这里M、m分别为主星、卫星的质量,v为卫星速率,r为卫星轨道半径。于是,v2=GM/r2,与m无关)。

地球上的观测者可以根据一颗行星加在它的卫星上的吸引力来测定它的质量。这样的计算并不复杂,用行星与卫星间距离的立方除以公转周期的平方,商数与行星质量成比例。这条定则适用于宏观世界中任何由引力引起的圆周运动上,当然天文学家们更多的是把

它应用在绕地球的月球运动和绕太阳的行星运动。我们把地球到太阳的距离1.5亿千米的立方除以一年的天数365.25的平方得到的商数叫作太阳商数。把月球到地球距离的立方除以月球公转周期的平方得到的商数叫作地球商数。太阳商数约比地球商数大出33万倍。因此我们知道,太阳质量比地球质量大33万倍--竟然要这么多地球才能造成一个太阳那么重的物体!

举这样的例子仅仅是为了让读者对这个原理印象更加深刻,但是绝对不代表天文学家们的工作就是如此简单。就拿计算地球和月球之间的吸引力来说,因为月球的距离并不是恒定不变的,而是受到太阳吸引的影响,所以天文学家找出地球吸引力时实际使用的方法是观测在不同纬度上周期为一秒的钟摆的长短,再通过精密的数学方法,最后才能精确地发现离地球某特定远近的小卫星的旋转周期,然后再算出地球商数。

想要找出行星的商数,必须依靠它的卫星,幸运的是其他卫星的运动受太阳吸引的改变比月球小得多。我们通过这些方法计算出了火星商数,太阳商数是它的3085000倍,也就是说需要3085000个火星才能抵得上一个太阳。现在我们已经知道太阳的质量是木星的1047倍,是土星的3500倍,天王星的22700倍,海王星的19400倍。

对于一个天文学家来说,他解决问题的大原则就是遵从万有引力定律。经过300多年的数学推演,这条定律已经发展到一个比较先进的境况。对于现代科学家来说,他们的幸运在于他们拥有了计算机这样威力巨大的工具。科学家们的工作因为现代计算机技术的发展而简便明快了许多,他们只需要事先将规则编制好,然后再把观测到的精密数据输入到计算机里就可以得到从前的科学家们通过手动计算而得到的庞大计算数据了。不过计算机能做的事情还是有限的,一个真正伟大的发现,依靠的还是科学家的敏锐直觉和辛劳的工作。

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