检验相对论的星

太阳系有着许许多多的奥秘。如果你想要知道其中那些最大奥秘的答案，那么越接近太阳越好。建议你最好到水星去，它是太阳系中的一颗“谜星”，而且还是一颗能——

夜空中有一颗明亮的星，依偎在太阳的身旁。它在我们的眼前晃来晃去，我们用肉眼就可以看得见它，但却很难见到它。对于我们来说，这颗星拥有太多的秘密：它离太阳不远，位于太阳系最热的一端，蕴藏着许多太阳系形成时期的古老信息；它是一颗地球型行星，和地球连理同根，“血缘”相近，拥有大量尚未知晓的地球型行星的秘闻；它最接近太阳，只要能精确地测量它的运动，它就可以被看作是检验爱因斯坦的广义相对论的优质“杆秤”。如果我们把这颗星比作太阳系中的一只“麻雀”，那么解剖这只“麻雀”，对于天文学、地球科学和基础物理学来说，都具有重要的意义。这颗星，西方人叫它“麦邱立”，而我们中国人则称它为“水星”。

五个极端

水星是太阳系八大行星之一，同金星、地球和火星一道，属于内行星。不过，与其他内行星相比，水星显得很特殊，表现在它明显存在五个“极端”：离太阳极端近，温差极端大，体积极端小，密度极端高，人类对它考察得极端少。

水星是太阳系中最接近太阳的大行星，到太阳的距离最近时只有4600万公里，最远时有7000万公里，平均5800万公里，约等于地球到太阳平均距离的1/3。由于接近太阳，受到强大的太阳引力吸引，水星时时都有被拉向太阳的危险。为了抵御强大的太阳吸引力而不至于落到日面，水星依照万有引力定律在轨道上快速奔跑，利用奔跑产生的离心力平衡太阳的强大吸引力。据计算，水星的运行速度平均为每秒47.89公里，88天就绕太阳运行1圈。

由于接近太阳，水星深深地沐浴在太阳的光辉之下，还“游弋”在太阳强大的“引力海洋”之中。因此，无论是在地面还是在空间，我们都很难观测水星。在地面看水星，它与太阳分开的最大角度是28.3度，只能在清晨太阳出山前或黄昏太阳落山后不久的时间段内看到它。所以，虽然人类早在公元前3000年就已知道水星的存在，但迄今为止，对于水星的地面观测资料依然很少。而在空间探测水星，由于强烈的阳光照射和巨大的太阳引力，飞船很难进入环绕水星的观测轨道，即使借助其他力量进入了观测轨道，飞船及其上面的仪器设备也难以承受时而高温、时而寒冷的巨大温差变化。由于接近太阳，水星的表面温度差异很大。在阳光照耀下，水星表面温度能高到427℃；而在水星两极常年照不到阳光的陨击坑中，温度却低到零下183℃。因此，到目前为止，只有“水手10号”和“信使号”两艘飞船考察过水星，其中“水手10号”只拍摄到44％的水星表面图像，而“信使号”只探测过水星一回。此外，这两艘飞船还都是在环绕太阳运行的轨道上接近水星的。因为被观测得太少，难怪水星至今在许多方面都还是谜。

水星的直径是4880公里，不到地球的2/5，仅比月球大一点，比太阳系里最大的两颗卫星——木卫三和土卫六还小。以前说在太阳系九大行星中，水星仅比冥王星大，现在冥王星已被逐出“大行星”行列，水星便成为太阳系中体积最小的“大行星”。

别看水星体积小，它却是太阳系里星体物质最稠密的天体。水星密度为每立方厘米5.43克，略小于地球。这里所说的密度不包含“引力压缩效应”，也就是说，没有考虑行星引力对行星密度的影响。如果考虑“引力压缩效应”，水星密度为每立方厘米5.3克，地球为4.4克，水星密度比地球大。因此，可以说水星是太阳系天体中密度最大的天体。

铁石“心肠”

假如我们像切西瓜一样飞起一刀将行星切成两瓣，那么在其剖面上，从里到外将分为核心、幔和壳层三部分。核心是行星最里面部分，因为那里温度很高，所以核心常常是熔化的流体；壳层是行星的固体外壳，一般由岩石矿构成；幔位于核心与壳层之间，熔点比壳层低，幔里的物质推测也是熔化的。

据推算，水星的核心很大，其体积约占水星体积的40％以上，而地球核心则只占到17％。相比之下，水星核心在水星体积中所占比例比地球核心大1倍多。这个比例在其他大行星中也是最高的。有这样高的密度，水星的核心就一定含有丰富的铁。地质学家估计，水星组成中约70％是金属，30％是硅酸盐矿（岩石）。最近的研究表明，水星的核心是熔化的，在核心周围是厚600公里的幔。

水星的巨大铁核是怎么形成的呢？科学家提出了以下三种理论。

A.水星是由太阳周围的热气体云形成的。在那里，高熔点金属可以凝结成固体，而岩石物质却因温度高而浓缩不到一起，最终留下了金属含量丰富的行星胚胎——原始水星。

B. 在太阳系形成初期，一颗质量为原始水星1/6的微行星穿过原始水星，将其壳层和幔撞碎，从而留下巨大的铁质核心。

C.原始水星形成于太阳剧烈加热以前。在年轻的太阳热起来时，水星外层的岩石物质被蒸发。最近有科学家对水星的形成进行了计算机模拟，结果显示，在早期的太阳系周围，有巨大的小行星状天体穿越、撞击和聚集。科学家据此推测，或许有一颗从火星或火星轨道外来的天体非常猛烈地撞进水星，把许多水星外层物质撞到太空中，留下的行星只有原来的一半大小，后来就变成了今天的水星。

水星的巨大铁核产生了磁场。“水手10号”观测暗示，水星的磁场强度约为地球磁场强度的1/100。场强虽不大，但显示为全球磁场，而且像地球磁场一样是偶极场，磁倾角近似为零。前不久，射电望远镜测量出，水星幔内的物质处于熔化状态并且在激烈地搅动。内部有运动的熔化导电金属铁，周围有薄薄的绝缘岩石，这表明水星确有可能产生磁场。

什么是磁场？它具有吸引铁的性质。我们都知道，吸铁石能够吸引含铁物质，表明它有磁场。中学物理告诉我们，通电的螺线管也能吸引含铁物质，所以通电的螺线管也有磁场。行星磁场产生原理与通电螺线管相同，都是电荷流动的结果。行星磁场通常产生于行星的核心，这里有导电区域，有熔化的金属铁，而且熔化的金属铁还在作环流运动。也就是说，这里有电荷流动，因此能产生磁场。

我们说水星有巨大的铁核，是指它的铁核相对于它的体积而言的。同地球核心相比，水星的铁核依然很小，其直径只有地球核心的一半。因此，在水星内部导电区域产生的磁场是比较弱的。

磁场是行星的保护伞，较强的行星磁场能够在行星周围形成磁层，保护行星不受太阳风粒子和宇宙线粒子的轰击。地球上的生命能够安然无恙地生活、活动和工作，全靠地球磁层的保护。“水手10号”的测量结果表明，水星磁场强度有足够能力反射太阳风等离子体，在水星周围形成磁层。

但是，也有人提出，水星的自转很慢，59天才自转1圈，几乎只有地球自转速度的1/60。这样慢的自转不太可能产生大的环流，因此难以在水星上产生较强的全球磁场。另外，至今我们还没弄明白：究竟是什么东西使水星内部保持熔化状态？因此，水星磁场仍是一个谜。

表面如月

太阳系的天体都是46亿年前由一团原始星云演化而来的，因此它们连理同根，“血缘”相近，有许多相似之处。“水手10号”观测表明，水星表面很像月面，有“月海”似的宽阔平原和严重撞击产生的陨击坑。但是，“水手10号”毕竟只探测到44％的水星表面，还有56％的水星表面隐匿在神秘的深空。因此，下面只能描述已得到探测的水星部分表面情况。

水星表面大部分为平原所覆盖。大多数平原撞击严重，是古老平原；也有一些年轻平原，它们很少遭到严重撞击。水星平原可分为两类：撞击坑交错的平原和光滑平原。前者的陨击坑的直径大多在15公里以上，表明它们是古老的；光滑平原则是年轻的，上面的陨击坑很少，这种平原出现在卡洛斯盆地周围。科学家在这一盆地的对面观测到一种“古怪地形”——一大片多山地形，他们认为是由撞击形成的。撞击期间产生的冲击波环绕水星传播，然后聚集到一起并形成高压，将水星表面撕破，最终形成了“古怪地形”。

“水手10号”的观测资料还显示，水星表面散布着许多撞击形成的“麻点”，其中有巨大的多环盆地和许多熔岩流。撞击坑的直径在几十公里到几百公里之间，最大的撞击坑是卡洛斯盆地和斯基纳卡斯盆地。前者直径1550公里，周围有山环抱，中间类似月海，有平坦的黑色熔岩平原；后者是已知最大的水星盆地，直径1600公里。这些撞击坑是不同年代留下的，一些年轻撞击坑有明显的周围地带，有明亮的“射线”射出。另一些撞击坑则已高度退化，流星轰击点周围地带已变得光滑了。

在“信使号”之前，地面望远镜和“水手10号”在水星表面上观测到6种特征，分别是：返照特征（标志反射率不同的区域）、山脉、平原、山脊、悬岩和山谷。2008年1月14日，“信使号”从水星附近经过，对水星表面再次进行了探测，目前观测资料尚未全部公布。

水星表面的主要特征同撞击有关，同太阳系其他行星一样，水星所受的撞击主要发生在两个时期：一是在46亿年前的行星形成时期，二是在38亿年前开始的所谓“最近严重打击时期”。在前一时期，整个水星表面都遭到撞击并引发火山活动，从行星内部喷发出来的岩浆填进盆地，产生了“月海”般的光滑平原。

为了全面了解水星面貌，“信使号”已于2008年1月14日开始拍摄另一半水星表面图像，还将于2008年 10月6日第二次接近水星，探测那些未被探测过的水星表面。

水星周围没有空气，流星和小行星可以长驱直入撞击水星表面，而这些撞击痕迹完整地保留在水星表面。因此，只要画出完整的水星表面图，就能推断自它诞生以来太阳附近碰撞的频率和可怕程度，进而分析太阳系是如何形成的。

极地坚冰

由于水星距离太阳很近，所以光学望远镜在观测水星方面作用不大。从1991年开始，天文学家用雷达测量水星，即先向水星发射雷达波，然后用接收机接收从水星反射回来的回波，分析这些回波以获取水星知识。

在观测中，天文学家发现，雷达波射向水星极区后，接收到很强的回波，而且是反射信号。这种信号与从火星极冠和木星的冰卫星上反射回来的波相似。这暗示水星反射物质很可能是冰。雷达回波还给出另一种信息：雷达屏幕上的亮点与在水星极区陨击坑中见到的其他特征相同，这表明冰存在于水星极区陨击坑内，这些陨击坑是“寒冷的陷阱”。

你也许会觉得奇怪：在极强的阳光照耀下，水星表面热得能将铅都熔化掉，为何在水星极区还有冰沉积呢？原来，水星没有大气保温，在太阳直射的地区，温度很高，能热到427℃，而在没有太阳照耀的地区，温度骤然降低到零下183℃。水星极区陨击坑内长期处在阴影当中，所以温度很低不足为怪。

水星上有水吗？水星的名字很可能会让人误认为水星上也有水，但事实上水星是一个无水的世界。那么，水星上的冰又是从哪里来的呢？要弄清这个问题，就需要了解水星冰的组成。可惜的是，目前还不知道这些冰是由什么物质构成的，可能是水冰，也可能是其他物质，例如硫结成的冰。如果水星极区的沉积物是水冰，那一定是彗星撞击留下的；如果是硫结成的冰，则可能来自水星内部，是火山活动的结果。由于雷达测量的精度较差，测不出细节，所以目前还无法对此下结论。

“信使号”飞船上装有伽玛射线和中子频谱仪，能探测水星极区沉积的氢，从而确定极区可不可能有水。而这艘飞船上的紫外频谱仪和高能粒子频谱仪，则能直接测出沉积物蒸发的硫。换句话说，这些仪器有可能揭示水星极区冰的组成。

“信使号”于2008年1月14日接近水星时，飞船位于水星赤道区域上空，探测不到极区陨击坑。为了探测极区陨击坑里的冰，科学家将调整“信使号”的控制装置，使它在接近水星时把探测器指向极区，以寻找冰上蒸发物的泄密信号。按照计划，“信使号”将于2011年接近水星，对它作进一步探测。2013年，欧洲空间局和日本宇航局将联合发射一艘专门探测水星的飞船——“毕匹科伦波”。利用这些飞行器，人类或许最终可以揭开水星极区冰体之谜。

检验相对论

在太阳系八大行星中，水星的轨道是最奇怪的，它不像其他大行星轨道那样近似为圆形，而是扁扁的椭圆形，轨道周长很短，88天就绕太阳转1圈。此外，其他大行星轨道都位于黄道面附近，而水星的轨道面则同黄道面交成7度角。更有趣的是，水星轨道面还在摆动：从太阳向右摆动4.6万～7万公里后，再往回摆。

古怪的水星轨道引起了许多科学家的关注，它是如何形成的呢？有人认为它是水星遭受撞击的结果，但多数人认为它是引力造成的：引力轻轻一推，看似影响不大，但在太阳系形成时期，一颗行星体连续近距离通过另一颗行星体，就可能产生如此明显的作用。水星的这种奇怪的轨道摆动现象被称为“水星轨道进动”，而且还被科学家看作是检验广义相对论的三大证据之一。

为什么研究水星轨道能够检验相对论呢？爱因斯坦指出：广义相对论效应总是要改变行星轨迹的。水星最接近太阳，在太阳质量造成的弯曲时-空内外遨游，对太阳引力最敏感，水星所处的这种特殊位置必然要改变水星自己的轨道。

欧洲空间局和日本宇航局计划联合发射新的水星探测器——“毕匹科伦波”，主要目的就是检验广义相对论。

要检验广义相对论，关键在于精确测量水星的运动，而这又主要取决于能否精确控制飞船的位置。按照计划，利用飞船上的无线电装置，“毕匹科伦波”能把自己的位置控制到精确度达到10厘米以下，而这样推算出的行星运动可以精确到10米以内，比现在的精确度（精确到几千米）提高几百倍。因此，科学家热切期望“毕匹科伦波”能够成功。

届时，“毕匹科伦波”不仅要检验广义相对论，而且还要检验超越广义相对论的新物理理论。目前，引力物理学家和宇宙学家越来越相信，测量精度一旦超过一定的水平，广义相对论就可能被打破！新近提出的“新能场”就是一个例子。

“新能场”是在讨论宇宙论时提出来的一个全新概念。宇宙论是由广义相对论推断出来的，它认为宇宙起源于一次大爆炸，爆炸后慢慢向外膨胀。随着宇宙的扩大，膨胀速度逐渐减慢。也就是说，宇宙是减速膨涨的。这个结论早在1929年就被著名天文学家哈勃的观测结果所证明。总结这些观测结果，哈勃还建立了著名的哈勃定理。

然而，在20世纪90年代中期的超新星观测中，科学家发现，宇宙不是减速膨胀，而是加速膨胀。这一结论得到了包括“威尔金森微波各向异性探测器”的探测结果在内的许多观测结果的证实。

为了解释宇宙加速膨胀的原因，一些科学家提出了“新能场”（例如暗能量）假设。可是，引进的每一个“新能场”都同广义相对论预计的引力行为发生了微小偏离。如果“毕匹科伦波”能够探测到这种偏离，就有可能为发现这些神秘的能场性质找到有力的线索。

水星殖民地

航天事业的发展向人类展示出美好前景，将来人类不仅可以环绕别的行星作轨道旅行，而且可以走出地球，到别的行星上安家落户。地球人走向别的星球，犹如资本主义国家向外寻找殖民地。借用“殖民地”这个词，西方学者把人类走出地球、在太空建设的生活区称为“空间殖民地”。同火星、金星、月球和小行星一样，水星也是内太阳系空间殖民地的目标之一。

乍看起来，极度高热的水星根本不是适合人居之地，但开发水星殖民地其实有诸多有利条件。正因为水星很接近太阳，所以可从太阳获取大量能源。据推算，太阳在1秒钟内发射37亿亿亿焦耳热量，这么多热量足以将太阳和地球之间一座长达3000米的冰桥融化成水！这些热量散发到行星际空间和太阳系天体上，其中来到地球的约为其中的22亿分之一，可就是这小小的22亿分之一能量，就够供地球上的汽车使用2万年！水星比地球更接近太阳，水星上每平方米接收到的太阳能是9.13千瓦，相当于地球上接收到的6.5倍。相对来说，太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然资源，它将为开发水星提供可靠的能源保障。目前，科学家已在地球附近进行了“太阳帆”试验。如果能将“太阳帆”发射到水星附近，一个水星“太阳帆”就能得到6.5个地球“太阳帆”的热能。

有资料显示，水星土壤里含有丰富的“氦-3”。这是重要的核聚变原料，开采它，利用它，对未来发展太阳系经济有着不可估量的作用。

“阿波罗”飞船登月过程表明，人类上月球会遇到微重力难题。宇航员在月面走路只能像袋鼠那样一跳一蹦地前进，原因是月球表面引力只有地球的1/6。宇航员在微重力下生活不仅不方便，而且长期处在微重力下还会导致骨质疏松，影响健康。而在水星上，这种情况有所改善。月球直径只有3476公里，而水星直径是4880公里，水星的体积比月球大得多，加上水星有巨大的铁核和很高的密度，结果造成水星表面引力是月面的2倍多。

当然，作为太空殖民地的候选地之一，水星的缺点也显而易见：缺乏明显的大气，过于接近太阳，自转缓慢。这些都是在水星上建殖民地的不利因素。

能否成为太空殖民地，大气是一个重要因素。它是行星的“保护伞”，不仅能为“殖民者”提供呼吸的氧气，而且能散射阳光，调节温度，保护行星表面不受外来宇宙线的袭击。在一颗行星上能否建设殖民地，在很大程度上取决于它具不具备大气。而一颗行星有没有大气，则同它自身的质量、表面温度和大气成分有关。只有具有强大吸引力的行星才有能力保存大气。水星是太阳系内最小的大行星，没有能力保存周围的气体，因此水星周围的大气在很久以前就逃进行星际空间去了。“水手10号”当初3次接近水星时，对它的大气进行了多次检测，结果发现水星大气的气压只有地球表面气压的万亿分之一。如此稀薄的大气没有能力散射阳光，因此水星的天空是漆黑的，就像罩上了一层黑色的天鹅绒。在“天鹅绒”上群星璀璨，相互争辉，但见不到星星“眨眼”，因为星星“眨眼”是大气造成的。

水星很靠近太阳，这是建立水星殖民地的最致命弱点。在水星周围飞行的飞行器将深深淹没在强烈的太阳光辉里，“游弋”在浩瀚的太阳“引力海洋”中。在阳光照耀下，水星表面温度高达427℃，而常年位于阴影中的水星极区陨击坑内温度却低到零下183℃。环绕水星作轨道运行的飞行器时而处在高温下，时而落入寒冷中。巨大的温差将使飞行器上的仪器设备寿命变短，性能变坏，甚至无法工作。而飞行器处在巨大的太阳引力之下，将被拉向太阳，很难进入环绕水星的轨道。

有科学家说，在太阳引力作用下，航天器会发狂似的飞向太阳。因此，对于在轨道上环绕水星飞行的飞行器来说，没有极为高超的控制技术是不行的，而这就要求有强大的控制火箭，这种火箭的体积不能小于发射飞船的火箭。要知道，美国在1973年发射的“水手10号”在飞向水星的途中，虽然借用了金星引力援助（关于“引力援助”这个问题，有兴趣的读者可参阅本刊2007年第9期文章《引力援助》），也未能进入环绕水星的轨道，只是环绕太阳飞行。

除了飞船难以环绕水星飞行外，人类移居水星还要受到温度制约。在昼夜分明的水星赤道地区，表面温差太大，显然不适宜人类居住。因此，水星居民将只能生活在常年结冰的极区陨击坑中，最多能偶尔到赤道区域作短期旅行。

（本文图片由美国宇航局、欧洲空间局提供）