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昨天讲到，通过对水星逆行现象的解释，托勒密改造后的地心说，统治了天文学界1400多年，虽然今天看来，托勒密体系并不正确，但在日心说诞生之前，托勒密体系还是可以对天体运行做出有效的解释，它是符合当时人对宇宙认知的，所以我们也没有必要抱着现代人看恐龙的眼光，然后再把它批判一番。推动地心说的发展，这是水星对人类认识宇宙做出的第一个重大贡献，第二个重大贡献就是验证了广义相对论。
17世纪初，开普勒提出了行星运动三定律，其中的第一定律告诉我们，太阳系中所有的行星都在沿着椭圆轨道绕太阳旋转，而太阳就是椭圆的一个焦点。到了1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，从数学上严格证明了开普勒三定律，不仅如此，牛顿和开普勒都认为，行星绕太阳公转的椭圆轨道是稳定的，也就是说对于任何一个行星来讲，它的近日点和远日点都应该固定在同一个地方，不会随着时间的推移而发生改变。但是在1859年，法国天文学家勒维耶发现，水星绕太阳公转的椭圆轨道就不稳定，而是会发生螺旋式的改变，相应地，水星近日点的位置也不固定，它会发生一定的偏移，这个水星近日点位置随时间而改变的现象，就是所谓的水星近日点进动。
勒维耶
水星近日点进动
相信你也一定看过描述水星近日点进动的，其实这些图画得都特别夸张，目的就是让你更直观地了解水星的近日点进动，真实情况是，进动的幅度非常微小。可以发现，水星近日点进动前后的两个位置，而太阳之间构成了一个三角形，在这个三角形中，以太阳为顶点的那个夹角，就可以描述进动的大小。勒维耶发现，要经过整整100年的积累，这个夹角才能达到574角秒。1角秒是多大呢？它是1度的3600分之一，也就是直角的32.4万分之一，由此可见，水星进动整整100年，近日点的位置也只偏离了直角的1/866，所以水星进动的幅度是非常小的，也不知道当年勒维耶是怎么发现的。
但是别管多小，水星轨道的不稳定那是客观存在的，为什么会这样呢？只有两种可能，一是太阳系中还有其他天体，它们的引力造成了水星的近日点进动。二是牛顿理论本身有问题。勒维耶这个人是牛顿理论的忠实信徒，他根本不相信牛顿理论存在错误的可能，于是为了解释水星的进动，他就开始了计算，结果发现，太阳系中其他行星的引力，确实会导致水星的近日点发生进动，但问题是，这些引力影响叠加在一起，也只会导致水星在100年的时间里进动531角秒，那么剩下的43角秒该怎么解释？
相信很多老板都熟悉勒维耶的贡献，当年就是他通过计算，认为在天王星之外还存在着一颗行星，最后果不其然，德国天文学家伽勒发现了海王星。所以这一次勒维耶又提出了一个猜想，就是在水星和太阳之间，还存在着一颗尚未被发现的小行星，因为距离太阳这么近，所以勒维耶就把它命名为火神星，勒维耶指出，正是火神星的引力，导致了那额外的43角秒的偏离。大佬都发话了，天文学家马上就开始了寻找工作，但是找来找去，火神星始终不见任何踪迹。这样一来，水星近日点进动问题，就成为了一个无人可以破解的世纪难题，直到1915年爱因斯坦提出了广义相对论。
要说牛顿引力理论和广义相对论有什么区别，其实差别也不大，在绝大多数情况下，牛顿理论和广义相对论的计算结果都一样，但是如果引力特别强，比如说处在大质量恒星附近，两者之间就会出现一个很小的差异，广义相对论会比牛顿引力多出来一个修正项。水星受到的太阳引力就是如此，而如果用广义相对论计算水星的轨道，水星的进动幅度，恰好是每一百年43角秒，这就是广义相对论的第一个实验验证。
最后再简单游览一下水星本身。水星距离地球并不远，但是不同于金星探测和火星探测，水星探测非常冷门，到目前为止，总共也只有两个探测器造访过水星。第一个造访水星的探测器是NASA于1973年发射的水手10号，它也是历史上第一个同时造访了两个行星的探测器。水手10号先是在1974年2月份飞越金星，然后从1974年3月到1975年3月间，三次飞越了水星。在此期间，它拍摄了大量水星表面的照片，但遗憾的是，水手10号每次飞越都对着水星的同一面，所以它只拍到了水星表面45%的区域。一直等到21世纪，水星才迎来了它的第二个访客，就是在2004年8月NASA发射的信使号。
水手十号
水星表面
水手十号拍摄的水星
信使号
不同于水手10号，信使号选择了一条非常复杂的航行路线，在6年半的时间里，它多次飞临地球、金星和水星，并利用这些行星的引力来调整自己的轨道。2011年3月18号，信使号终于成功进入水星轨道，成为了目前唯一一个环绕水星飞行的探测器。透过信使号的镜头，人类发现，水星和月球非常相似，水星表面也遍布着形态各异的环形山，也就是陨石的撞击坑，直径超过100公里的超大型撞击坑就多达15个，其中最大的撞击坑叫卡洛里盆地，直径达到了1550公里，面积达到了189万平方公里，比新疆的面积还要大。2015年4月30号，在环绕水星飞行了4年之后，信使号寿终正寝，它在水星的北极附近坠毁，也给水星贡献了一座环形山，当然面积比较小，也就是篮球场那么大。
信使号拍摄的水星照片
卡洛里盆地
那么你可能会问了，水星又不是天高皇帝远，为什么在半个多世纪的时间里，人类只发射了两个探测器？原因主要有两个，首先探测水星的难度非常大，我们知道，所有朝太阳系中心飞行的探测器，都会受到太阳引力的影响从而做加速运动，所以要想探测水星，探测器就必须在接近水星的时候减速。但是一方面，水星附近的太阳引力非常强大，让探测器减速非常困难。另外水星的运动速度也非常快，有着太阳系中所有行星最快的运动速度，所以探测器既要减速，同时在减速的过程中还要追上水星，甚至进入水星轨道，自然是难上加难。这就是为什么信使号要走一条非常复杂的路线，不断地飞临地球、金星和水星，调整自己的轨道，但即便如此，还是花了6年半时间。
第二个原因是在很长一段时间中，天文学家都对水星不太重视，他们认为，水星距离太阳那么近，肯定是一个特别乏味的不毛之地，除了热没其他的，花那么多人力物力去探测它，性价比非常低。不过事实证明，水星并不简单，今天就介绍三个关于水星的意外发现。第一个发现是水星有磁场，在1974年之前，人们普遍认为，像水星这样体积小、自转慢的行星，内部既不会存在导电的流体，也不会存在导电流体的对流运动，所以它不可能有磁场。但是水手10号发现，水星拥有一个可以覆盖整个行星的稳定磁场，强度达到了地球磁场的1.1%，这就足以构成一个屏障，抵御太阳风的侵袭。那么水星为什么会有磁场，一般认为，这是因为在水星内部，也像地球一样，有一个液态的铁核，另外水星自转虽然慢，但还没有慢到金星那个地步。但它为什么会有这个铁核，目前还搞不清楚。
水星结构
第二个发现是水星有冰。其实早在上世纪90年代，人们就已经通过地面上的望远镜，观察到水星北极地区有异样的反光。到了2011年，信使号最终确认，水星北极地区确实存在着大量的冰，而且南极也有。据估算，这些冰少则能有1000亿吨，多则能有1万亿吨。如果是1000亿吨，这就相当于青海湖的储水量，如果是1万亿吨，这就相当于10个青海湖、40个鄱阳湖、200多个太湖，达到了我国所有水库的总库容。为什么在距离太阳这么近的水星上，会有如此大量的冰？目前最主流的解释就是彗星和小行星，它们撞击水星，不仅搞出来一大堆环形山，同时也给水星送去了冰，其中有部分冰，落入到了水星极地的永久阴影区，这里太阳晒不到，温度极低，冰就这样一直被保留下来。
水星北极
第三个发现是，水星有过全球性的岩浆海洋。太阳光射到水星表面，会被地表的岩石反射回来，通过分析这些反射光，就可以确定水星表面岩石的化学成分。2011年信使号发现，整个水星表面的岩石中，都含有大量的岩浆成分，这就意味着，整个水星表面都曾经被岩浆浸泡，可见水星虽小，但也曾有过十分活跃的地质运动。总而言之，水星并不是一个枯燥乏味的不毛之地，恰恰相反，它也是一个有故事的行星。
