广义相对论24:水星近日点进动与验证

文化   2024-11-11 17:18   吉林  

在牛顿力学时代,能计算出太阳系内的行星轨道是一个以太阳为焦点的椭圆,根据伯特兰定理,万有引力是负一次势,那么在这个势场下的轨道是封闭的,然而在实际观测上并不是一个封闭的椭圆,以水星为例,水星轨道的长轴在缓慢绕着太阳运动,这种现象称为近日点进动,实际观测得到水星近日点的进动率是每世纪5600",而使用牛顿力学,即使考虑到了各种因素,也只能计算出5557",还有43"无法解释。

         

 

1859年Le Verrier(在笔尖下发现海王星的人)发现了水星近日点的进动问题,并认为有一颗行星干扰了水星。


现在我们需要知道水星进动包含了哪些项:岁差、其余行星的摄动、广义相对论效应、太阳四极矩等。其中有大约90%(5029.0966")是由于坐标系岁差引起的,岁差是几何效应,还有532"是其余行星的影响。轨道进动的力学因素是存在非平方反比的修正力,比如其余行星的影响、广义相对论效应、中心天体的多极矩等。

         

 

而水星进动的偏差来自于天文观测的轨道进动的575"每世纪和通过牛顿力学计算出来的532"每世纪的差值。这篇主要计算广义相对论效应,而牛顿力学计算的区域行星的影响会在经典力学篇章中细写,这个计算会比广义相对论效应繁琐并需要一定合理的技巧。

         

 

在史瓦西时空中的测地线方程(见“广义相对论22”):

由于我们需要研究的是轨道形状,那么需要进行一下变换 ,由角动量守恒 

可得 

不妨令 ,轨道在赤道面上,代入得到 

化简 

定义无量纲量 ,那么 ,得到 

对其再求一阶导数得到 

化简 

如果忽略等式右边就是 

可解得 

这个解对于r来说就是圆锥曲线,而此时右侧非零项 就是广义相对论的修正项,系数是一个小量,并且此时的方程变得无法精确求解,不过可以进行微扰处理,我们把解分解为 ,其中

第一个方程已经得到结果,接下来主要处理第二个微扰项的方程: 

考虑初值δ=0,可以解得     

这个解中仅仅最后一项是与进动有关的,我们把解叠加写出来 

第一项是零点项,第二项是周期振荡项,第三项就是决定了周期进动的一项   注意到α是一个小量,可以把它近似为  (或者反向级数展开)我们发现,运动仍是周期的,只是周期不再是2π,而是  , 这意味着行星仍然在做椭圆运动,但是椭圆长轴也在转动,行星每公转一周,轴就会转动 ,这种现象就称为近日点进动,这个角也称为进动角。

         

 

不过角动量并不是一个可直接测得的量,我们还要把它换成其他可直接测量的量,由 

可得 

α=0时, ,而φ=02π分别代表近日点和远日点,于是半长轴 

而半长轴或者近日点远日点距离对于我们来说是可测的,那么就可以得到 

于是 

让我们代入数据,太阳质量 ,万有引力常数 ,对于太阳的 ,水星轨道半长轴 ,轨道离心率 ,计算得到    

水星公转周期是 ,那么一个世纪的进动角就是 

实验测得进动角 ,实验和理论符合的很好!这就是由广义相对论效应引起的额外43"的进动,广义相对论也可以计算出其他行星的进动角,并且观测和理论也很好的符合。

         

 

太阳也并非严格球形,所以在质量分布上就会存在多极矩,从而影响引力势的分布,导致引力势也具有多极矩: 

其中J2是四极矩的贡献,对于太阳的观测结果 ,最终算出来的多极矩影响的进动角变化比广义相对论效应低了4个数量级,影响非常小。

         

 

所以对于水星近日点进动问题,最大的影响是岁差,第二是其余行星,第三是广义相对论效应,最后是太阳多极矩。

         

 

注:在19世纪末岁差的参考值是5025.64"每世纪,而在1984年以后天文常数系统使用的值是5029.0966",利用IAU2009测的值是5028.796195",岁差在进动问题中是占了大头的,万分之一的误差都会影响到广义相对论对行星进动的验证,而这大约3.5"的差距,好像还真不小。随着测量技术精度的提高,值也更精确,误差嘛,常有的事。


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物理是世界上至高无上的艺术。在这里,我会谈论这个世界中最基本的艺术:一种叫做物理学的艺术。这里有宇宙诞生、基本粒子与宇宙结构、天体塌缩到黑洞、黑洞蒸发的故事。我会从大爆炸说起,直到现在,到……未知的未来……以及谈论科学与我们的生活。
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