Анамальнае зрушэнне перыгелія Меркурыя — выяўленая ў 1859 годзе асаблівасць руху планеты Меркурый, якая згуляла выключную ролю ў гісторыі фізікі. Гэта зрушэнне аказалася першым рухам нябеснага цела, якое не падпарадкоўвалася ньютанаўскаму закону сусветнага прыцягнення. Фізікі былі пастаўлены перад неабходнасцю шукаць шляхі мадыфікаваць або абагульніць тэорыю прыцягнення. Пошукі ўвянчаліся поспехам у 1915 годзе, калі А. Эйнштэйн распрацаваў агульную тэорыю адноснасці (АТА); з ураўненняў АТА выцякала менавіта такое значэнне зрушэння, якое фактычна назіралася. Пазней былі вымераны аналагічныя зрушэнні арбіт некалькіх іншых нябесных цел, значэнні якіх таксама супалі з прадказанымі АТА.
Лаўрэат Нобелеўскай прэміі па фізіцы Рычард Фейнман заўважыў, што доўгі час ньютанаўская тэорыя прыцягнення цалкам пацвярджалася назіраннямі, але для тлумачэння ледзь прыкметнага адхілення ў руху Меркурыя спатрэбілася карэнная перабудова ўсёй тэорыі на аснове новага разумення гравітацыі.
Адкрыццё эфекта
Параметры арбіт планет Сонечнай сістэмы з-за ўзаемнага ўплыву гэтых планет з часам павольна мяняюцца. У прыватнасці, вось арбіты Меркурыя паступова паварочваецца (у плоскасці арбіты) у бок арбітальнага руху, адпаведна, ссоўваецца і бліжэйшы да Сонца пункт арбіты — перыгелій («прэцэсія перыгелія»). Вуглавая скорасць павароту складае прыкладна 500" (вуглавых секунд) за 100 зямных гадоў, так што ў зыходнае становішча перыгелій вяртаецца кожныя 260 тыс. гадоў.
У сярэдзіне XIX стагоддзя астранамічныя разлікі руху нябесных цел, заснаваныя на ньютанаўскай тэорыі прыцягнення, давалі вельмі дакладныя вынікі, нязменна пацверджаныя назіраннямі («астранамічная дакладнасць» ўвайшла ў прымаўку). Трыумфам нябеснай механікі ў 1846 годзе стала адкрыццё Нептуна ў тэарэтычна прадказаным месцы небасхілу. У 1840-1850-я гады французскі астраном Урбэн Левер'е, адзін з першаадкрывальнікаў Нептуна, на аснове 40-гадовых назіранняў Парыжскай абсерваторыі распрацаваў тэорыю руху Меркурыя. У сваіх артыкулах 1859 года Левер'е паведаміў, што выявіў невялікае, але істотнае разыходжанне тэорыі з назіраннямі — перыгелій ссоўваўся некалькі хутчэй, чым гэта выцякала з тэорыі. У сваіх разліках Левер'е ўлічыў уплыў усіх планет: Планета Уклад у зрушэнне перыгелія Меркурыя(у вуглавых секундах за стагоддзе) Венера 280,6 Зямля 83,6 Марс 2,6 Юпітэр 152,6 Сатурн 7,2 Уран 0,1
У выніку разлічанае Левер'е тэарэтычнае значэнне зрушэння склала 526,7" за стагоддзе, а назіранні паказалі прыкладна 565". Па сучасных удакладненых дадзеных зрушэнне некалькі вышэй і роўна 570". Такім чынам, розніца складае каля 43" за стагоддзе.
Для тлумачэння прычыны эфекту выказваліся гіпотэзы ў асноўным двух тыпаў. «Матэрыяльныя гіпотэзы»: зрушэнне выклікана ўплывам нейкай матэрыі паблізу Сонца. Новыя тэорыі прыцягнення, адрозныя ад ньютанаўскай.
Спробы тлумачэнні ў рамках класічнай тэорыі прыцягнення
Вулкан і вулканоіды
Левер'е выказаў здагадку, што анамалія тлумачыцца наяўнасцю невядомай планеты (або некалькіх малых планет) унутры арбіты Меркурыя. Гэтую гіпотэзу падтрымаў аўтарытэтны французскі астраном Франсуа Фелікс Тысеран. Па прапанове фізіка Жака Бабінэ гіпатэтычнай планеце далі імя «Вулкан». З-за яе блізкасці да Сонца найлепшым спосабам выявіць Вулкан былі назіранні ў час сонечнага зацьмення або ў час праходжання Вулкана паміж Зямлёй і Сонцам; у апошнім выпадку планета была б бачная як цёмная пляма, якая хутка перасякае сонечны дыск.
Неўзабаве пасля публікацый 1859 года французскі астраном-аматар Эдмон Лескарбо (Edmond Modeste Lescarbault) паведаміў Левер'е, што у 1845 годзе назіраў перад Сонцам цёмны аб'ект, зарэгістраваў яго каардынаты, аднак тады не надаў назіранню належнага значэння. Левер'е па выніках Лескарбо вылічыў, што аб'ект ўтрая бліжэй да Сонца, чым Меркурый, перыяд абароту складае 19 дзён 7 гадзін, дыяметр каля 2000 км. Пры гэтым, калі шчыльнасць Вулкана блізкая да шчыльнасці Меркурыя, яго маса складае масы Меркурыя. Аднак цела з такой невялікай масай не можа выклікаць назіранае зрушэнне перыгелія Меркурыя, таму Левер'е выказаў здагадку, што Вулкан — не адзіная малая планета паміж Меркурыем і Сонцам. Ён разлічыў прыкладную арбіту Вулкана і ў 1860 годзе, калі чакалася поўнае сонечнае зацьменне, заклікаў астраномаў усяго свету пасадзейнічаць у выяўленні Вулкана. Усе назіранні аказаліся безвыніковымі.
Планету шукалі некалькі дзесяцігоддзяў, але па-ранейшаму без усякага поспеху. Было яшчэ некалькі непацверджаных паведамленняў аб адкрыцці — за новую планету прымалі сонечныя пратуберанцы, сонечныя плямы, а таксама зоркі і дробныя калязямныя астэроіды, блізка размешчаныя да дыска Сонца ў час зацьмення. Пасля кожнага такога паведамлення астраномы зноў разлічвалі арбіту меркаванага Вулкана і чакалі, што пры наступным праходжанні перад Сонцам планета будзе паўторна знойдзена, але яна больш не з'яўлялася. Апошнія паведамленні аб магчымым адкрыцці Вулкана былі апублікаваныя ў пачатку 1870-х гадоў, прычынай аказалася падзенне каметы на Сонца.
Варыянт з некалькімі малымі планетамі, якіх загадзя назвалі «Вулканоідамі», быў таксама старанна правераны. Левер'е верыў у існаванне Вулкана або вулканоідаў да канца жыцця (1877), аднак ні аднаго праходжання колькі-небудзь буйнога невядомага аб'екта па дыску Сонца дакладна зарэгістраваць не ўдалося. У 1909 годзе амерыканскі астраном Уільям Уолес Кэмпбэл ўжо меў падставы ўпэўнена заявіць, што паміж Меркурыем і Сонцам няма аб'ектаў, большых за 50 км у дыяметры.
Іншыя гіпатэтычныя аб'екты ўнутры арбіты Меркурыя
Як альтэрнатыва выказвалася здагадка аб існаванні невядомага спадарожніка Меркурыя (магчыма, некалькіх спадарожнікаў). Іх пошук таксама не меў поспеху. Яшчэ адна гіпотэза, якую выказаў у 1906 годзе нямецкі астраном Гуга Ганс фон Зеелігер, дапускала наяўнасць вакол Сонца рассеянага (дыфузнага) воблака рэчыва, бачнай прыкметай якога служыць задыякальнае святло. Гэта воблака, па Зеелігеру, нахілена да плоскасці экліптыкі і слаба ўплывае на рух планет. Скептыкі пярэчылі, што для зрушэння перыгелія Меркурыя гэта воблака павінна валодаць значнай масай, але тады ад яго варта чакаць значна вышэйшы ўзровень свяцільнасці; акрамя таго, масіўнае воблака непазбежна ўплывала б на рух Венеры, у якім сур'ёзных невытлумачальных анамалій не адзначаецца.
Галандскі метэаролаг Хрыстафор Бейс-Балот у 1849 годзе, яшчэ да работ Левер'е, выказаў дапушчэнне, што Сонца, падобна Сатурну, акружана кольцам (магчыма, нават двума кольцамі). Левер'е і іншыя навукоўцы адкінулі гэтую гіпотэзу, паказаўшы, што такія кольцы не змогуць стабільна існаваць паблізу Сонца, ды і сама гіпотэза дрэнна аргументавана.
Заніжаная маса планет
Прычынай анамаліі магла стаць заніжаная ацэнка масы адной з планет (пад найбольшае падазрэнне падпадала Венера). Аднак супраць гэтага дапушчэння сведчыў той факт, што, будзь яно верным, анамаліі з-за няправільнай масы выявіліся б і ў разлічаных рухах іншых планет. Французскі астраном Эмануэль Ляі выказаў здагадку, што эфект выкліканы накладаннем некалькіх прычын: рэфракцыі, трохі заніжанай масы Венеры і памылак назірання; пасля даследаванняў Ньюкама (гл. ніжэй) рэальнае існаванне анамаліі больш не падвяргалася сумненню.
Іншыя спробы тлумачэння
Сярод магчымых прычын зрушэння перыгелія Меркурыя называлася восевая сціснутасць Сонца каля полюсаў. Назіранні, аднак, не выявілі ў Сонца сціснутасці, дастатковай для тлумачэння эфекту. Паводле дадзеных вымярэнняў 1975 года, восевая сціснутасць сонечнага дыска складае ўсяго вуглавых секунд.
Гуга Ганс фон Зеелігер ў 1906 годзе даследаваў гіпотэзу свайго вучня, астранома Эрнста Андзінга (Ernst Anding): сістэма каардынат, звязаная з нерухомымі зоркамі, неінерцыяльная, а звязаная з планетамі — інерцыяльная. Гэта незвычайнае дапушчэнне дазваляла з дапамогай падбору параметраў растлумачыць усе вядомыя планетныя анамаліі. Андзінг таксама пастуляваў існаванне некалькіх пылавых аблокаў, якія ствараюць задыякальнае святло паблізу Сонца. Многія навукоўцы падверглі мадэль Андзінга — Зеелігера знішчальнай крытыцы як штучную і з пункта гледжання фізікі непраўдападобную — у прыватнасці, Эрвін Фройндліх і Гаральд Джефрыс даказалі, што крыніца задыякальнага святла занадта разрэджаная, каб мець патрабаваную ў мадэлі масу.
Крытыка з боку Саймана Ньюкама
У 1895 годзе свае вынікі разлікаў арбіт чатырох унутраных планет (Меркурыя, Венеры, Зямлі і Марса) апублікаваў вядучы амерыканскі астраном Сайман Ньюкам. Ён пацвердзіў наяўнасць анамаліі ў руху Меркурыя і ўдакладніў яе значэнне: 43" замест 38" у Левер’еNewcomb S. The elements of the four inner planets and the fundamental constants of astronomy. Suppl. am. Ephem. naut. Aim. 1897. U.S. Govt. Printing Office, Washington, D. C., 1895.. У існаванне невядомых планет унутры арбіты Меркурыя Ньюкам не верыў і заявіў, што гэтая гіпотэза «цалкам выключаецца», а масу Венеры ён сам удакладніў, пахаваўшы ўсе здагадкі, што яе ацэнка істотна заніжана.
Ньюком выявіў зрушэнне перыгелія не толькі ў Меркурыя, але і у Марса, а таксама, з меншай упэўненасцю, у Венеры і Зямлі (іх арбіты амаль кругавыя, таму было адзначана для гэтых двух планет зрушэнне было блізка да хібнасці вымярэння). Пры гэтым была канчаткова адхілена гіпотэза Бейс-Балота пра кольцы вакол Сонца, таму што ніякім падборам яго параметраў не ўдаецца атрымаць рэальнае зрушэнне і для Меркурыя, і для Марса адначасова; аналагічныя цяжкасці выклікала здагадка аб сістэме астэроідаў. Ньюкам паказаў таксама, што як гіпатэтычнае кальцо, так і масіўная дыфузная матэрыя паблізу Сонца выклікалі б зрушэнне вузлоў арбіты Венеры і самога Меркурыя, не пагадзіліся з назіраннямі.
Прапановы па мадыфікацыі класічнай тэорыі прыцягнення
Спробы палепшыць ньютанаўскі закон сусветнага прыцягнення прадпрымаліся пачынаючы з сярэдзіны XVIII стагоддзя. Першую спробу зрабіў у 1745 годзе А. К. Клер, каб растлумачыць анамаліі ў руху Месяца. У мемуарах «Аб сістэме свету згодна з пачатку прыцягнення» Клер прапанаваў замест ньютонаўскаа закона:
іншую, больш агульную формулу:
Тут — сіла прыцягнення, — масы цел, — адлегласць паміж целамі, — гравітацыйная пастаянная, роўная м³/(кг с²).
Пазней (1752) Клер прыйшоў да высновы, што для тлумачэння руху Месяца, з усімі заўважанымі анамаліямі, цалкам дастаткова класічнага закона. Канчатковыя вынікі сваіх прац Клер звёў у трактат, названы «Тэорыя Месяца, выведзеная з адзінага пачатку прыцягнення, адваротна прапарцыяльна квадрату адлегласцей». Тым не менш ідэя Клер, у розным матэматычным афармленні, неаднаразова ўзнікала ў гісторыі астраноміі, у тым ліку для тлумачэння зрушэння перыгелія Меркурыя.
Мадэлі без залежнасці ад скорасці
У артыкуле 1895 года Сайман Ньюкам даследаваў спосаб тлумачэння анамаліі, звязаны з мадыфікацыяй закона сусветнага прыцягнення. Самая простая мадыфікацыя заключаецца ў замене квадрата адлегласці на крыху большую ступень:
Тады зрушэнне перыгелія за адзін абарот будзе роўным:
гэта значыць дадатковае зрушэнне роўнае
Гэтая здагадка вядома як «гіпотэза Хола», амерыканскі астраном Асаф Хол апублікаваў яе годам раней (1894). Значэнне дазваляе растлумачыць анамальнае зрушэнне перыгелія Меркурыя. Дадаткова годнасцю новага закона прыцягнення ў параўнанні з ньютанаўскім быў той факт, што ён не ствараў гравітацыйнага парадоксу — патэнцыял поля прыцягнення бясконцага Сусвету не звяртаўся ў бясконцасць.
Шэраг навукоўцаў (у прыватнасці, Вебер і Рытц) праявілі цікавасць да такога падыходу, хоць былі і крытыкі — паказвалі, напрыклад, на тое, што ў законе Хола пастаяннай прыцягнення G даводзіцца прыпісваць дробную размернасць даўжыні. Да таго ж разлікі Ньюкама паказалі, што зрушэнне перыгелія Марса па новым законе атрымліваецца далёкім ад фактычнага.