水星的距角

我们假设，上图中的E点是地球，水星位于最高点A上，而不是在M点上。这时，站在地球上望去，水星处于距离太阳最大的视角上，用术语说就是在“大距”上。如果水星位于太阳的东边，将会在太阳落下去之后沉没，在日落之后的半个小时到一个小时内，我们能够在西天的暮霭中看见水星的影子。与A点相对的是C点，这个点在太阳的西边。在太阳升起之前，水星会出现在东天的晨曦中。因此，如果将水星当作昏星，最好选择东大距时期（春季）；如果将水星当作晨星，最好选择西大距时期（秋季），这样能够观察得更清楚。

水星的外观

春季温暖的傍晚，这是通过望远镜观察水星的最好时间，秋天清凉的黎明也是一个很好的观察时间。如果水星在太阳的东边，我们在下午的任何时间都能通过望远镜观察到它，但此时的太阳光线会对大气层产生影响，所以很难观察到令人满意的景象。傍晚时期，空气比较稳定，所以观测能够顺利进行。不过，在太阳落下去之后，水星会被不断变厚的大气包围，逐渐变得模糊。由于各种不利因素，便很难将水星观察清楚，所以不同观测者描述出来的水星表面有着巨大区别。

在很长一段时间内，许多观测者都认为无法确定水星的自转周期。直到1889年，斯基亚帕瑞利（Schiaparelli）凭借精巧的望远镜仔细观察了意大利北部天空中的水星，结果这颗行星的形貌每天都是一样的，毫无变化。因此，他得出结论，水星对着太阳的一面永远不会发生变化，就像月球对着地球的那一面一样。罗尼尔（Lowell）在亚利桑那（Arizona）的弗拉格斯塔夫亚天文台（Elagstaff Observatory）的观测得出的结论与此相同。不过，在1965年，通过当时最先进的多普勒雷达观测发现，这种说法是不对的。现在，我们推测水星在绕着太阳公转时也在自转，自转三周需要的时间等于公转两周的时间。

由于水星相对太阳的位置一直在变动，所以水星也有圆缺变化，好像月亮一样。我们能够看见水星被太阳照射的半球，但看不见背对着太阳的半球。水星上合时（太阳处于水星和地球之间）明亮的半球对着我们，看起来像是满月时的月亮。接下来，水星经过东大距慢慢向下合靠近，对着我们的明亮半球越来越少，而黑暗半球越来越多。不过，由于水星和我们的距离一直在缩短，所以我们能够很好地观察明亮部分。等到下合时期，黑暗半球对着我们，好像新月一样，在它的位置上剩下一个很难观察到的黑暗阴影。黑暗的下合时期结束之后，水星经过西大距慢慢接近上合位置，逐渐还原为“满月”。

在很长一段时间内，大家一直觉得水星上没有大气。因为我们无法观察到水星对太阳光产生的折射作用。不过，天文学家最近的研究表明，水星拥有非常稀薄的大气层，这是太阳风带来的原子形成的。由于太阳的照射，使得水星上的温度非常高，这些原子很快就跑到太空中去了。于是，水星的大气频繁变动，新的大气不时取代旧的大气，这与地球和金星上的稳定大气有着很大的区别。

水星凌日

我们思考一下水星的运行情况便会明白，如果内行星和地球都在同一个平面中绕着太阳运行，那么，下合时期我们会看见它们经过太阳表面。不过，事情没有这么简单，因为它们不是在相同的平面上运行的。在大行星中，水星轨道对地球轨道的偏斜最大，所以我们常常看到水星在太阳的南边或者北边。在下合时期，如果它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。我们将这种现象称为“水星凌日”（Transit of Mercury），时间间隔有长有短，短的是3年，长的是13年。由于能够准确地观测到它进入、离开太阳圆盘的时刻，而且可以借助这个时刻推导出行星的运行规律，所以天文学家们深深受到这种现象的吸引。

1631年11月7日，加桑迪（Gassendi）首先观察到了水星凌日。不过，由于他使用的工具太简单，观测结果没有一点科学价值。1677年，哈雷（Halley）在圣海伦岛（St. Helena）的观察有了一定的价值。此后，水星凌日的观测一直在继续。

1937年5月11日，水星在太阳南部经过，而且恰好擦过南部边缘。在欧洲南部可以见到这种现象，但美洲出现在日出之前。

1940年，美国西部出现水星凌日。

1953年，美国全境都能观察到水星凌日现象。

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，它被现在的人们叫做水星轨道进动。奇妙的是，这颗行星的轨道在逐渐改变。人们认为是受到其他行星的影响。不过，精密的理论计算表明，这个不是最主要的原因，水星近日点的变化比理论计算多出了43角秒。1845年，勒威耶（Leverrier）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。勒威耶预测说，有一颗行星位于太阳和水星之间，并将它叫做火神星。他通过计算得知，火神星会经过太阳表面，只有这时才能通过它在太阳表面形成的阴影观察它。1877年，在他预言的火神星经过太阳表面之前，他离开了这个世界，这也许是一件幸运的事情，因为他不用面对自己的失败。那一天，许多人用望远镜对着天空，想要一睹火神星的面貌，但是它始终没有出现。1860年，法国的一位乡村医生勒斯加波（Lescarbault）通过一个小型望远镜观察太阳表面，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粒黑子。也许，那位医生将这粒黑子当成了火神星。在此后的许多年中，不少天文学家在各个地方观察太阳，但始终没有发现火神星的影子。

不过，我们依然相信这个区域中存在着许多小行星，但因为它们太小了，当它们在太阳表面经过时我们无法观察到。假如真是这样的话，天光会遮住小行星的光芒，所以我们很难看见它们。但是，我们依然有机会见到它们，当日全食时，天上没有其他的光芒，应该能够看见这些小行星。于是，观测者常常选择日全食时观察它们，而且使用高级摄影仪。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，但都是已经知道的星星。因此，我们可以断定，水星轨道圈内最亮的星星就是八等星了。几十万颗这样的小行星才可能造成水星轨道的偏离，这么多的小行星一定会把它们所在的那一块天空照得非常明亮。这个结果证明，某些人认为水星近日点移动是受到更内行星的影响的观点是错误的。如果这颗行星确实存在，除了上述问题之外，它还会让水星或者金星（或者两者）的交点发生一定的变化。

20世纪初期的天文学家们一直被这个问题所困扰，直到1916年，爱因斯坦的广义相对论诞生为止。在经典力学中，引力指的是具有质量的两个物体之间的相互吸引作用。不过，爱因斯坦凭着直觉推测，引力作用要比我们认为的更加广泛、更加有趣。

我们在解释水星轨道进动之前，先通过一个思想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，然后将他关在一个完全与外界隔绝的屋子中，我们送给他一个小球用来排除寂寞。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。他根据这一点推断出自己位于地球上，因为地球引力引起的加速度恰好是9.8米/秒2。

然后，等到这个人熟睡之后，我们轻轻地将他放在一架丝毫没有震动的飞船中，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，而且飞船上升的加速度是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，而小球相对地板的加速度依然是9.8米/秒2。于是，他便得出一个错误的结论，他认为自己依然待在地球上，而不是向上运动的飞船中。

我们发现，从某个方面来说，引力和加速度能够相互替代。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，而是与空间本身密切相关。对于空间的不同部分来说，由于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说的平坦的。

在太阳附近，空间的弯曲程度比较严重。于是，水星在这个巨大的扭曲空间运行时，不再是沿着标准的椭圆轨道前进，所以引起了水星近日点的进动。根据广义相对论的公式，通过精密计算得出的结果要比按照经典力学计算得出的结果多43秒，完全符合观测到的情况。这个事实证明广义相对论是正确的。

第三节　金星

在天上的星星中，金星看起来最亮，只有太阳和月亮比它亮一些。在晴朗的夜晚，金星的光芒可以照出影子。如果观测者知道金星的准确位置，而且有一双明亮的眼睛，当它在白天接近子午圈的时候，便能够用肉眼观察到它，前提是太阳没有在它附近。当金星在太阳东边时，我们在西天能够看见它，它的光辉在日落之前比较暗淡，接着会逐渐变得明亮起来；当它在太阳西边时，它会在太阳升起之前出现在东天。在第一种情况中，它被叫做昏星；在第二种情况中，它被叫做晨星。古时候，人们将昏星称为长庚（Hespenls），将晨星称为启明（Phosphorus）。据说，古人并不知道长庚和启明是同一颗星星。

通过望远镜对金星的观测可知，金星有圆缺变化，类似于月亮。伽利略第一次用望远镜观察金星时就发现了这个特点，这促使他支持哥白尼（Copernicus）提出的日心说。根据当时的风俗习惯，伽利略用一个谜语表示这个发现：“爱的母亲正与辛西娅（Cynthia）争赛面相呢。”

我们在前面说过，金星的会合运动与水星的非常相似，所以在这里不再重复。下图表示在会合轨道中，金星各个部分呈现出来的视大小。当金星从上合逐渐转变为下合时，圆盘慢慢变大，但我们无法看见它的全部，它被照亮的表面慢慢变小，逐渐形成半月形，接着成为新月形，最后是下合期。当金星是下合期时，我们面对的是黑暗面，所以无法进行观察。当金星在下合和大距的中央时，它的亮度最强。那时候，如果金星在太阳的东边，它的降落时间要比太阳晚两个小时；如果在太阳的西边，它的升起时间要比太阳早两个小时。

金星的自转