广义相对论27:测地进动(de Sitter-Fokker效应)

文化   2024-12-20 19:52   吉林  

1916年,de Sitter提出了地球-跃迁系统在太阳引力场中的测地进动,地月系统可以简化为一个在引力场中自由下落的陀螺仪,这个陀螺仪的自转轴会在太阳的引力下发生进动,进动率是每年0.0192’’。

         

 

之前在研究水星轨道时,也有轨道长轴进动,现在考虑的是天体自转轴进动。

         

 

考虑一个陀螺仪的自旋矢量  ,陀螺仪在引力场中运动矢量保持不变即  ,就得到了陀螺仪方程 

不会算的去回顾“广义相对论2”中对克氏符的定义。

         

 

为简化模型,我们考虑史瓦西时空中在θ=π/2平面上的半径为R的圆周轨道,根据“广义相对论23”的结果,圆周运动时有

陀螺仪的四速度就是 

代入到陀螺仪方程中可得到分量方程:

其中有一个最简单的方程  ,说明陀螺仪在史瓦西引力场中做圆周运动时自旋矢量的θ分量是不变的,对第二个方程求导     

将第一个和第四个式子代入

是一个二阶线性微分方程,解得 

因为在圆周运动过程中有  ,那么 

 再由第四个方程解得

已知圆周角速度有  ,经过时间  回到原点,那么矢量的转动角度是

与原来的方向有一个夹角,就是陀螺仪矢量的偏转角 

我们代入太阳的质量和地球的轨道半径,可以得到地球自转矢量每年的进动角:    

这个角度非常小,几乎无法观测,但是可以通过跃迁激光测距来探测,测量与理论偏差大约0.7%。

         

 

不过注意到进动角只与三个量有关,一个是中心天体质量,一个是轨道半径,还有第三个非显含的周期数或者时间,因为我们研究的是每年的进动角,那么轨道半径低一点,周期数足够多的话,一年就会累积很多的进动角,于是我们可以利用近地卫星来做实验。

         

 

比如高度为650km的卫星,轨道半径是  ,周期是

每年绕地球转  圈,可得每年的进动角是

这个角度就比地球自转轴进动角大了两个数量级,不过还是很小,但是有高精度实验可以测量,而地球作为中心天体也有自转,也会对进动角有修正,利用Gravity Probe B测量与理论误差为0.28%,与理论基本符合。

         

 

这个就是测地进动现象,也叫de Sitter-Fokker效应。

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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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