Кратко — история, предложенные гипотезы, почему отвергались, и методологический смысл.
Факт и ключевые даты
- В 1859 г. У. Леверье обнаружил, что наблюдаемое доперигелие Меркурия превышает расчётное по ньютоновским возмущениям на несколько десятков угловых секунд в столетие (позже уточнено).
- В 1882 г. С. Ньюкомб перепроверил расчёты и оценил аномалию примерно в $\approx 42.95^{\prime \prime }/\text{век}$.
- В 1915 г. Эйнштейн в ОТО дал объяснение и предсказал с формулой
$$\Delta {\varphi }_{\text{пер./орбита}}=\frac{6\pi GM}{a(1-e^2)c^2},$$ что даёт корректно $\approx 43^{\prime \prime }/\text{век}$.
Основные гипотезы до ОТО и причины их отказа
1) Систематические ошибки наблюдений и вычислений
- Возможность ошибок в астрометрии и в теории возмущений рассматривали первыми.
- Повторные наблюдения и подробные перерасчёты (Ньюкомб и др.) не устранили аномалию — ошибку нашли недостаточной, чтобы объяснить все $\sim 43^{\prime \prime }$.
2) Внутримеркуриевая планета «Вулкан» или поток мелких тел
- После сообщения Лескарбо о видимом транзите Леверье предположил существование дополнительной планеты или кольца астероидов ближе к Солнцу.
- Многократные поиски транзитов и прямые наблюдения не дали устойчивых доказательств; орбиты и масса «Вулкана» требовали бы заметных следствий, которые не обнаружены.
3) Аномальная гравитация Солнца — его сплюснутость (квадрупольный момент $J_2$)
- Сплюснутость создаёт дополнительное $\propto 1/r^3$ поле и даёт доп. прецессию.
- Чтобы объяснить всё $\sim 43^{\prime \prime }$, нужен был довольно большой $J_2$, несоответствующий наблюдаемой светимости и форме Солнца; точные измерения показали слишком малый эффект.
4) Модификации закона тяготения (ад-хок поправки)
- Предлагали изменить закон силы (например, добавить члены с другой степенью радиуса или дальнодействующие поправки).
- Такие модели часто требовали настраиваемых параметров и давали плохие предсказания в других системах (планеты, кометы), были менее экономны и фальсифицируемы. Без независимого подтверждения отвергались как ad hoc.
5) Влияние газовой оболочки/атмосферы Солнца, сопротивление, электромагнитные силы и т.п.
- Эти механизмы либо слишком слабы, либо давали другие измеримые эффекты (затухание орбиты, изменение скорости), которых не наблюдали в требуемой величине.
Почему окончательно приняли ОТО
- Общая теория относительности предсказала дополнительную прецессию без свободных «подгоняемых» параметров. Подстановка известных $G,M,a,e,c$ дала значение, совпадающее с аномалией ($\approx 43^{\prime \prime }/\text{век}$).
- Это объяснение было количественно точным и не нарушало согласия с другими явлениями (движение других планет, преломление света и т.д.).
Методологические уроки (как иллюстрация развития научной методологии)
- Аномалия как двигатель прогресса: систематическое расхождение между теорией и наблюдением заставило искать новые объяснения и расширить теорию.
- Различие между ад‑хок поправками и глубокими теориями: гипотезы вроде «Вулкана» или искусственных поправок были локальными и не имели независимых подтверждений; ОТО дала единую, предсказательную и непротиворечивую картину.
- Роль точности измерений и повторных проверок: сначала сомнение в данных, затем подтверждение аномалии более точными вычислениями.
- Критерии принятия: количественная точность, согласованность с другим опытом, простота и прогнозная сила превалировали над временными «лечениями симптомов».
- Переход парадигм: пример показывает, как накопление нерешённых аномалий может привести не к усовершенствованию старой теории, а к её замене более общей теорией.
Итог: попытки сохранить ньютоновскую теорию с добавлением объектов (Вулкан), поправок или параметров оказались недостаточными; успешным стало теоретическое расширение (ОТО), которое удовлетворило критериям научной методологии — предсказуемости, экономичности и согласованности с наблюдениями.